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The extraordinary catalytic ability of peroxiredoxins: a combined experimental and QM/MM study on the fast thiol oxidation step
Peroxiredoxins (Prxs) catalyze the reduction of peroxides, a process of key relevance in a variety of cellular processes. The first step in the catalytic cycle of all Prxs is the oxidation of a cysteine residue to sulfenic acid, which occurs 103–107 times faster than in free cysteine. We present an experimental kinetics and hybrid QM/MM investigation to explore the reaction of Prxs with H2O2 using alkyl hydroperoxide reductase E from Mycobacterium tuberculosis as a Prx model. We report for the first time the thermodynamic activation parameters of H2O2 reduction using Prx, which show that protein significantly lowers the activation enthalpy, with an unfavourable entropic effect, compared to the uncatalyzed reaction. The QM/MM simulations show that the remarkable catalytic effects responsible for the fast H2O2 reduction in Prxs are mainly due to an active-site arrangement, which establishes a complex hydrogen bond network activating both reactive species.Fil: Zeida Camacho, Ari Fernando. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Reyes, Aníbal M.. Universidad de la República; UruguayFil: González Lebrero, Mariano Camilo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica; ArgentinaFil: Radi Isola, Rafael. Universidad de la República; UruguayFil: Trujillo, Madia. Universidad de la República; UruguayFil: Estrin, Dario Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin
Acidity and nucleophilic reactivity of glutathione persulfide
Persulfides (RSSH/RSS2) participate in sulfur trafficking and metabolic processes, and are proposed to mediate the signaling effects of hydrogen sulfide (H2S). Despite their growing relevance, their chemical properties are poorly understood. Herein, we studied experimentally and computationally the formation, acidity, and nucleophilicity of glutathione persulfide (GSSH/ GSS2), the derivative of the abundant cellular thiol glutathione (GSH). We characterized the kinetics and equilibrium of GSSH formation from glutathione disulfide and H2S. A pKa of 5.45 for GSSH was determined, which is 3.49 units below that of GSH. The reactions of GSSH with the physiologically relevant electrophiles peroxynitrite and hydrogen peroxide, and with the probe monobromobimane, were studied and compared with those of thiols. These reactions occurred through SN2 mechanisms. At neutral pH, GSSH reacted faster than GSH because of increased availability of the anion and, depending on the electrophile, increased reactivity. In addition, GSS2 presented higher nucleophilicity with respect to a thiolate with similar basicity. This can be interpreted in terms of the so-called a effect, i.e. the increased reactivity of a nucleophile when the atom adjacent to the nucleophilic atom has high electron density. The magnitude of the a effect correlated with the Brønsted nucleophilic factor, bnuc, for the reactions with thiolates and with the ability of the leaving group. Our study constitutes the first determination of the pKa of a biological persulfide and the first examination of the a effect in sulfur nucleophiles, and sheds light on the chemical basis of the biological properties of persulfides.Fil: Benchoam, Dayana. Universidad de la República; UruguayFil: Semelak, Jonathan Alexis. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Cuevasanta, Ernesto. Universidad de la República; UruguayFil: Mastrogiovanni, Mauricio. Universidad de la Republica; UruguayFil: Grassano, Juan S.. Universidad de Buenos Aires; ArgentinaFil: Ferrer-Sueta, Gerardo. Universidad de la Republica; UruguayFil: Zeida Camacho, Ari Fernando. Universidad de la Republica; UruguayFil: Trujillo, Madia. Universidad de la Republica; UruguayFil: Möller, Matías N.. Universidad de la Republica; UruguayFil: Estrin, Dario Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Alvarez, Beatriz. Universidad de la Republica; Urugua
Comparative analysis of hydrogen peroxide and peroxynitrite reactivity with thiols
Peroxides are chemical compounds in which two oxygen atoms are linked together by a single covalent bond. Hydrogen peroxide (H2O2), the simplest peroxide, is formed through different routes in biological systems: superoxide radical (O2•-) dismutation, which can be spontaneous, or, depending on the organism and cellular compartment, catalyzed by different superoxide dismutases (SODs); one-electron O2•- reduction, such as during aconitase oxidation; or direct two-electron reduction of oxygen, which can be catalyzed by the divalent activity of several oxidases, including xanthine oxidase, Ero1, aldehyde oxidase, and monoamine oxidase. Depending on the cell type, those sites could be mitochondria, phagosomes of inflammatory cells, as well as the extracellular space. In biological systems, thiol functional groups can be found as part of low-molecular-weight (LMW) compounds and in protein Cys residues. Most living organisms contain millimolar concentrations of LMW thiols that play biological functions, such as to keep an intracellular reducing environment, to provide electrons for redox enzymes, and to react with electrophilic compounds.Fil: Trujillo, Madia. Universidad de la República de Uruguay; UruguayFil: Carballal, Sebastian. Universidad de la República de Uruguay; UruguayFil: Zeida Camacho, Ari Fernando. Universidad de la República de Uruguay; Uruguay. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Radi, Rafael. Universidad de la República de Uruguay; Urugua
Theoretical investigation of the mechanism of nitroxyl decomposition in aqueous solution
Nitroxyl (HNO) is a species that has been proposed recently to play different roles in nitrosative stress processes. HNO decomposition in aqueous solution leading to N2O is a fast reaction that competes with many biochemical reactions in which HNO may be involved. Since molecular determinants of this reaction are still not fully understood, we present in this work an exhaustive analysis of the mechanism in terms of electronic-structure calculations as well as state of the art hybrid quantum mechanics/molecular mechanics molecular dynamics simulations. We characterized the reaction mechanism and computed free energy profiles for the reaction steps using an umbrella sampling procedure. We propose a first dimerization step followed by an acid-base equilibria. Afterwards, the product is formed from two main pathways involving cis-hyponitrous acid (cis-HONNOH) and its conjugate basis as intermediate. Our calculations show preference for the anionic pathway under physiological conditions and allow us to rationalize the results in terms of a molecular description of specific interactions with the solvent. These interactions turn out to be determinant in the stabilization of transition states and, thereby, modifying the free energy barriers. We predict a strong pH-dependence of the overall kinetics of N2O formation, related with the fraction of reactive species available in solution. Finally, we suggest experimental procedures which could validate this mechanism.Fil: Bringas, Mauro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Semelak, Jonathan Alexis. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Zeida Camacho, Ari Fernando. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Estrin, Dario Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; Argentin
Breathing, bubbling, and bending: DNA flexibility from multimicrosecond simulations
Bending of the seemingly stiff DNA double helix is a fundamental physical process for any living organism. Specialized proteins recognize DNA inducing and stabilizing sharp curvatures of the double helix. However, experimental evidence suggests a high protein-independent flexibility of DNA. On the basis of coarse-grained simulations, we propose that DNA experiences thermally induced kinks associated with the spontaneous formation of internal bubbles. Comparison of the protein-induced DNA curvature calculated from the Protein Data Bank with that sampled by our simulations suggests that thermally induced distortions can account for ∼80% of the DNA curvature present in experimentally solved structures. © 2012 American Physical Society.Fil: Zeida Camacho, Ari Fernando. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Instituto Pasteur de Montevideo; UruguayFil: Machado, Matías Rodrigo. Instituto Pasteur de Montevideo; UruguayFil: Dans, Pablo Daniel. Instituto Pasteur de Montevideo; UruguayFil: Pantano, Sergio. Instituto Pasteur de Montevideo; Urugua
Molecular basis of the mechanism of thiol oxidation by hydrogen peroxide in aqueous solution: Challenging the SN2 paradigm
The oxidation of cellular thiol-containing compounds, such as glutathione and protein Cys residues, is considered to play an important role in many biological processes. Among possible oxidants, hydrogen peroxide (H 2O 2) is known to be produced in many cell types as a response to a variety of extracellular stimuli and could work as an intracellular messenger. This reaction has been reported to proceed through a S N2 mechanism, but despite its importance, the reaction is not completely understood at the atomic level. In this work, we elucidate the reaction mechanism of thiol oxidation by H 2O 2 for a model methanethiolate system using state of the art hybrid quantum-classical (QM-MM) molecular dynamics simulations. Our results show that the solvent plays a key role in positioning the reactants, that there is a significant charge redistribution in the first stages of the reaction, and that there is a hydrogen transfer process between H 2O 2 oxygen atoms that occurs after reaching the transition state. These observations challenge the S N2 mechanism hypothesis for this reaction. Specifically, our results indicate that the reaction is driven by a tendency of the slightly charged peroxidatic oxygen to become even more negative in the product via an electrophilic attack on the negative sulfur atom. This is inconsistent with the S N2 mechanism, which predicts a protonated sulfenic acid and hydroxyl anion as stable intermediates. These intermediates are not found. Instead, the reaction proceeds directly to unprotonated sulfenic acid and water.Fil: Zeida Camacho, Ari Fernando. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Babbush, Ryan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: González Lebrero, Mariano Camilo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; ArgentinaFil: Trujillo, Madia. Universidad de la República; UruguayFil: Radi, Rafael. Universidad de la República; UruguayFil: Estrin, Dario Ariel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin
A computational investigation of the reactions of tyrosyl, tryptophanyl, and cysteinyl radicals with nitric oxide and molecular oxygen
Proteins are main targets of oxidants in biological systems. This oxidation may occur in the protein backbone as well as in certain amino acid side chains, depending on the oxidant and amino acid intrinsic reactivity. Moreover, many enzymes are capable of generating stable amino acid radicals, such as tyrosyl, tryptophanyl and cysteinyl radicals. These species react very rapidly (many times as diffusion-controlled reactions) with relevant cellular open-shell species such as nitric oxide (·NO) or molecular oxygen (O 2 ). The exception to this apparent rule is tyrosyl radical, that reacts at diffusion rates with ·NO, but shows very slow reactivity towards O 2 (rate constant <10 3 M −1 s −1 ). In this work, we provide a comparative molecular-level description of the reaction mechanisms involved in the reactions of tyrosyl, tryptophanyl and cysteinyl radicals towards ·NO and O 2 , through quantum mechanics simulations which allow us to obtain relevant energetic and structural parameters, proposing a molecular explanation to this tyrosyl discrimination capability, namely, its marginal reactivity with O 2 .Fil: Pedron, Federico Nicolás. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Bartesaghi, Silvina. Universidad de la Republica; UruguayFil: Estrin, Dario Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Radi, Rafael. Universidad de la República; UruguayFil: Zeida Camacho, Ari Fernando. Universidad de la República; Uruguay. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin
Mechanism of cysteine oxidation by peroxynitrite: an integrated experimental and theoretical study
Since peroxynitrite was identified as a pathophysiological agent it has been implicated in a great variety of cellular processes. Particularly, peroxynitrite mediated oxidation of cellular thiol-containing compounds such as Cys residues, is a key event which has been extensively studied. Although great advances have been accomplished, the reaction is not completely understood at the atomic level. Aiming to shed light on this subject, we present an integrated kinetic and theoretical study of the oxidation of free Cys by peroxynitrite. We determined pH-independent thermodynamic activation parameters, namely those corresponding to the reaction between the reactive species: Cys thiolate and peroxynitrous acid. We found a pH-independent activation energy of 8.2 ± 0.6 kcal/mol. Simulations were performed using state of the art hybrid quantum-classical (QM-MM) molecular dynamics simulations. Our results are consistent with a SN2 mechanism, with Cys sulfenic acid and nitrite anion as products. The activation barrier is mostly due to the alignment of sulfur's thiolate atom with the oxygen atoms of the peroxide, along with the concomitant charge reorganization and important changes in the solvation profile. This work provides an atomic detailed description of the reaction mechanism and a framework to understand the environment effects on peroxynitrite reactivity with protein thiols.Fil: Zeida Camacho, Ari Fernando. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires; ArgentinaFil: González Lebrero, Mariano Camilo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Fisicoquímica Biológicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires; ArgentinaFil: Radi, Rafael. Universidad de la Republica; UruguayFil: Trujillo, Madia. Universidad de la Republica; UruguayFil: Estrin, Dario Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires; Argentin
Improving Efficiency in SMD Simulations Through a Hybrid Differential Relaxation Algorithm
The fundamental object for studying a (bio)chemical reaction obtained from simulations is the free energy profile, which can be directly related to experimentally determined properties. Although quite accurate hybrid quantum (DFT based)-classical methods are available, achieving statistically accurate and well converged results at a moderate computational cost is still an open challenge. Here, we present and thoroughly test a hybrid differential relaxation algorithm (HyDRA), which allows faster equilibration of the classical environment during the nonequilibrium steering of a (bio)chemical reaction. We show and discuss why (in the context of Jarzynski’s Relationship) this method allows obtaining accurate free energy profiles with smaller number of independent trajectories and/or faster pulling speeds, thus reducing the overall computational cost. Moreover, due to the availability and straightforward implementation of the method, we expect that it will foster theoretical studies of key enzymatic processes.Fil: Ramírez, Claudia Lilián. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Zeida Camacho, Ari Fernando. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Jara, Gabriel Ernesto. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Roitberg, Adrián. University of Florida; Estados UnidosFil: Marti, Marcelo Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin