Born - Oppenheimer ab initio QM/MM molecular dynamics simulations of the hydrolysis reaction catalyzed by protein arginine deiminase 4

Journal of Physical Chemistry B

Volumn 113, Issue 52, 2009, Pages 16705-16710

  Ke, Zhihong ^a,b   Wang, Shenglong ^b   Xie, Daiqian ^a   Zhang, Yingkai ^b  

^a NANJING UNIVERSITY   (China)

^b NEW YORK UNIVERSITY   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

AMINO ACIDS; HYDROGEN BONDS; HYDROLYSIS; MOLECULAR DYNAMICS; MOLECULES; PROTEINS; PROTONS;

AB INITIO; BORN-OPPENHEIMER; CATALYTIC MECHANISMS; CATALYTIC ROLE; CITRULLINE; COMPUTATIONAL APPROACH; ENZYME REACTION; HYDROLYSIS REACTION; LOW-BARRIER HYDROGEN BONDS; MOLECULAR DYNAMICS SIMULATIONS; NUCLEOPHILIC ATTACK; PROTEIN ARGININE DEIMINASE 4; QM/MM MD; RATE DETERMINING STEP; TETRAHEDRAL INTERMEDIATES; TRANSITION STATE; UMBRELLA SAMPLING; WATER MOLECULE;

REACTION KINETICS;

EID: 73349112879     PISSN: 15206106     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp9080614     Document Type: Article

References (63)

1. Hagiwara, T.; Nakashima, K.; Hirano, H.; Senshu, T.; Yamada, M. Biochem, Biophys, Res, Commun. 2002, 290, 979-983.
2. Nakashima, K.; Hagiwara, T.; Yamada, M. J. Biol, Chem. 2002, 277, 49562-49568.
3. Wang, Y.; Wysocka, J.; Sayegh, J.; Lee, Y. H.; Perlin, J. R.; Leonelli, L.; Sonbuchner, L. S.; McDonald, C. H.; Cook, R. G.; Dou, Y.; Roeder, R. G.; Clarke, S.; Stallcup, M. R.; Allis, C. D.; Coonrod, S. A. Science 2004, 306, 279-283.
4. Cuthbert, G. L.; Daujat, S.; Snowden, A. W.; Fidjument-Bromage, H.; Hagiwara, T.; Yamada, M.; Schneider, R.; Gregory, P. D.; Tempst, P.; Bannister, A. J.; Kouzarides, T. Cell 2004, 118, 545-553.
5. Hagiwara, T.; Hidaka, Y.; Yamada, M. Biochemistry 2005, 44, 5827-5834.
6. Suzuki, A.; Yamada, R.; Chang, X. T.; Tokuhiro, S.; Sawada, T.; Suzuki, M.; Nagasaki, M.; Nakayama-Hamada, M.; Kawaida, R.; Ono, M.; Ohtsuki, M.; Furukawa, H.; Yoshino, S.; Yukioka, M.; Tohma, S.; Matsubara, T.; Wakitani, S.; Teshima, R.; Nishioka, Y.; Sekine, A.; Iida, A.; Takahashi, A.; Tsunoda, T.; Nakamura, Y.; Yamamoto, K. Nat. Genet. 2003, 34, 395-402.
7. Vossenaar, E. R.; van Venrooij, W. J, Arthritis Res, Ther. 2004, 6, 107-111.
8. Vossenaar, E. R.; Despres, N.; Lapointe, B.; van der Heijden, A.; Lora, M.; Senshu, T.; van Venrooij, W. J.; Menard, H. A. Arthritis Res. Ther. 2004, 6, R142-R150.
9. Foulquier, C.; Sebbag, M.; Clavel, C.; Chapuy-Regaud, S.; Al Badine, R.; Mechin, M. C.; Vincent, C.; Nachat, R.; Yamada, M.; Takahara, H.; Simon, M.; Guerrin, M.; Serre, G. Arthritis Rheum. 2007, 56, 3541-3553.
10. Arita, K.; Hashimoto, H.; Shimizu, T.; Nakashima, K.; Yamada, M.; Sato, M. Nat. Struct. Mol, Biol, 2004, 11, 777-783.
11. Kearney, P. L.; Bhatia, M.; Jones, N. G.; Yuan, L.; Glascock, M. C.; Catchings, K. L.; Yamada, M.; Thompson, P. R. Biochemistry 2005, 44, 10570-10582.
12. Arita, K.; Shimizu, T.; Hashimoto, H.; Hidaka, Y.; Yamada, M.; Sato, M. Proc. Natl, Acad, Sci. U.S.A. 2006, 103, 5291-5296.
13. Luo, Y.; Arita, K.; Bhatia, M.; Knuckley, B.; Lee, Y. H.; Stallcup. M. R.; Sato, M.; Thompson, P. R. Biochemistry 2006, 45, 11727-11736.
14. Knuckley, B.; Bhatia, M.; Thompson, P. R. Biochemistry 2007, 46, 6578-6587.
15. Ke, Z.; Zhou, Y.; Hu, P.; Wang, S.; Xie, D.; Zhang, Y. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 12750-12758.
16. Shirai, H.; Blundell, T. L.; Mizuguchi, K. Trends Biochem. Sci. 2001, 26, 465-468.
17. Lu, X. F.; Galkin, A.; Herzberg, O.; Dunaway-Mariano, D. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 5374-5375.
18. Galkin, A.; Kulakova, L.; Sarikaya, E.; Lim, K.; Howard, A.; Herzberg, O. J. Biol. Chem. 2004, 279, 14001-14008.
19. Das, K.; Butler, G. H.; Kwiatkowski, V.; Clark, A. D.; Yadav, P.; Arnold, E. Structure 2004, 12, 651-661.
20. Galkin, A.; Lu, X. F.; Dunaway-Mariano, D.; Herzberg, O. J. Biol. Chem. 2005, 280, 34080-34087.
21. Lu, X. F.; Li, L.; Feng, X. H.; Wu, Y.; Dunaway-Mariano, D.; Engen, J. R.; Mariano, P. S. J, Am, Chem, Soc. 2005, 127, 16412-16413.
22. Lu, X. F.; Li, L.; Wu, R.; Feng, X. H.; Li, Z. M.; Yang, H. Y.; Wang, C. H.; Guo, H.; Galkin, A.; Herzberg, O.; Mariano, P. S.; Martin, B. M.; Dunaway-Mariano, D. Biochemistry 2006, 45, 1162-1172.
23. Li, L.; Li, Z. M.; Chen, D. Q.; Lu, X. F.; Feng, X. H.; Wright, E. C.; Solberg, N. O.; Dunaway-Mariano, D.; Mariano, P. S.; Galkin, A.; Kulakova, L.; Herzberg, O.; Green-Church, K. B.; Zhang, L. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 1918-1931.
24. Li, L.; Li, Z. M.; Wang, C. H.; Xu, D. G.; Mariano, P. S.; Guo, H.; Dunaway-Mariano, D. Biochemistry 2008, 47, 4721-4732.
25. Stone, E. A.; Person, M. D.; Costello, N. J.; Fast, W. Biochemistry 2005, 44, 7069-7078.
26. Stone, E. M.; Schaller, T. H.; Bianchi, H.; Person, M. D.; Fast, W. Biochemistry 2005, 44, 13744-13752.
27. Stone, E. M.; Costello, A. L.; Tierney, D. L.; Fast, W. Biochemistry 2006, 45, 5618-5630.
28. Warshel, A.; Levitt, M. J. Mol. Biol. 1976, 103, 227-249.
29. Singh, U. C.; Kollman, P. A. J. Comput. Chem. 1986, 7, 718-730.
30. Field, M. J.; Bash, P. A.; Karplus, M. J. Comput. Chem. 1990, 11, 700-733.
31. Gao, J.; Truhlar, D. G. Annu. Rev. Phys. Chem. 2002, 53, 467-505.
32. Cui, Q.; Karplus, M. Adv, Protein Chem. 2003, 66, 315-372.
33. Shurki, A.; Warshel, A. Adv. Protein Chem. 2003, 66, 249-313.
34. Friesner, R. A.; Guallar, V. Annu. Rev. Phys. Chem. 2005, 56, 389-427.
35. Mulholland, A. T. Drue Discovery Today 2005. 10, 1393-1402.
36. Zhang, Y. Theor, Chem, Acc, 2006, 116, 43-50.
37. Senn, H. M.; Thiel, W. Top. Curr, Chem. 2007, 268, 173-290.
38. Hu, H.; Yang, W. Annu. Rev. Phys. Chem. 2008, 59, 573-601.
39. Senn, H. M.; Thiel, W. Angew. Chem., Int. Ed. 2009, 48, 1198-1229.
40. Patey, G. N.; Valleau, J. P. J. Chem. Phys. 1975, 63, 2334-2339.
41. Boczko, E. M.; Brooks, C. L. J. Phys. Chem. 1993, 97, 4509-4513.
42. Roux, B. Comput, Phys, Commun, 91, 275-282.
43. Wang, S.; Hu, P.; Zhang, Y. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 3758-3764.
44. Hu, P.; Wang, S.; Zhang, Y. J, Am, Chem. Soc. 2008, 130, 3806-3813.
45. Hu, P.; Wang, S.; Zhang, Y. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 16721-16728.
46. Zheng, H.; Zhang, Y.; Wang, S. J. Comput. Chem. 2009, 30, 2706-2711.
47. Case, D. A.; Darden, T. A.; T. E. Cheatham, I.; Simmerling, C. L.; Wang, J.; Duke, R. E.; Luo, R.; Merz, K. M.; Pearlman, D. A.; Crowley, M.; Walker, R. C.; Zhang, W.; Wang, B.; Hayik, S.; Roitberg, A.; Seabra, G.; Wong, K. F.; Paesani, F.; Wu, X.; Brozell, S.; Tsui, V.; Gohlke, H.; Yang, L.; Tan, C.; Mongan, J.; Hornak, V.; Cui, G.; Beroza, P.; Mathews, D. IL; Schafmeister, C.; Ross, W. S.; Kollman, P. A. AMBER 9; University of California: San Francisco, 2006.
48. Darden, T.; York, D.; Pedersen, L. J. Chem. Phys. 1993, 98, 10089-10092.
49. Essmann, U.; Perera, L.; Berkowitz, M. L.; Darden, T.; Lee, H.; Pedersen, L. G. J. Chem. Phys. 1995, 103, 8577-8593.
50. Ryckaert, J. P.; Ciccotti, G.; Berendsen, H. J. C. J. Comput, Phys, 1977, 23, 327-341.
51. Cornell, W. D.; Cieplak, P.; Bayly, C. I.; Gould, I. R.; Merz, K. M.; Ferguson, D. M.; Spellmeyer, D. C.; Fox, T.; Caldwell, L W.; Kollman, P. A. J. Am Chem, Soc. 1995, 117, 5179-5197.
52. Hornak, V.; Abel, R.; Okur, A.; Strockbine, B.; Roitberg, A.; Simmerling, C. Proteins 2006, 65, 712-725.
53. Jorgensen, W. L.; Chandrasekhar, J.; Madura, J. D.; Impey, R. W.; Klein, M. L. J. Chem. Phys. 1983, 79, 926-935.
54. Zhang, Y.; Lee, T.; Yang, W. J. Chem. Phys. 1999, 110, 46-54.
55. Zhang, Y. J. Chem, Phys. 2005, 122, 024114.
56. Zhang, Y.; Liu, H.; Yang, W. J. Chem, Phys, 2000, 112, 3483-3492.
57. Williams, I. H.; Maggiora, G. M. THEOCHEM; J. Mol, Struct, 1982, 6, 365-378.
58. Beeman, D. J. Comout Phys. 1976, 20, 130-139.
59. Berendsen, H. J. C.; Postma, J. P.M.; Vangunsteren, W. F.; Dinola, A.; Haak, J. R. J. Chem, Phys. 1984, 81, 3684-3690.
60. Kumar, S.; Bouzida, D.; Swendsen, R. H.; Kollman, P. A.; Rosenberg, J. M. J. Comout. Chem. 1992, 13, 1011-1021.
61. Souaille, M.; Roux, B. Comput, Phys, Commun. 2001, 135, 40-57.
62. Shao, Y.; Fusti-Molnar, L.; Jung, Y.; Kussmann, J.; Ochsenfeld, C.; Brown, S. T.; Gilbert, A. T. B.; Slipchenko, L. V.; Levchenko, S. V.; O'Neill, D. P.; Jr., R. A. D.; Lochan, R. C.; Wang, T.; Beran, G. J. O.; Besley, N. A.; Herbert, J. M.; Lin, C. Y.; Voorhis, T. V.; Chien, S. H.; Sodt, A.; Steeie, R. P.; Rassolov, V. A.; Maslen, P. E.; Korambath, P. P.; Adamson, R. D.; Austin, B.; Baker, J.; Byrd, E. F. C.; Dachsel, H.; Doerksen, R. J.; Dreuw, A.; Dunietz, B. D.; Dutoi, A. D.; Furlani, T. R.; Gwaltney, S. R.; Heyden, A.; Hirata, S.; Hsu, C. P.; Kedziora, G.; Khalliulin, R. Z.; Klunzinger, P.; Lee, A. M.; Lee, M. S.; Liang, W.; Lotan, I.; Nair, N.; Peters, B.; Proynov, E. I.; Pieniazek, P. A.; Rhee, Y. M.; Ritchie, J.; Rosta, E.; Sherrill, C. D.; Simmonett, A. C.; Subotnik, J. E.; III, H. L. W.; Zhang, W.; Bell, A. T.; Chakraborty, A. K.; Chipman, D. M; Keil, F. J.; Warshel, A.; Hehre, W. J.; III, H. F. S.; Kong, J.; Krylov, A. I.; Gill, P. M. W.; Head-Gordon, M. Q-Chem, Version 3.0.; Q-Chem, Inc.: Pittsburgh, PA, 2006.
63. Ponder, J. W. TINKER, Software Tools for Molecular Design, Version 4.2; 2004. The most updated version for the TINKER program can be obtained from J. W. Ponder's World Wide Web site at http://dasher.wustl.edu/tinker.