Rayons X et Matière

J. Phys. IV France 10 (2000) Pr10-3-Pr10-13
DOI: 10.1051/jp4:20001001

Model of the catalytic mechanism of human aldose reductase based on quantum chemical calculations

R. Cachau¹, E. Howard^{2, 3}, P. Barth⁴, A. Mitschler², B. Chevrier², V. Lamour², A. Joachimiak⁵, R. Sanishvili⁵, M. Van Zandt⁶, E. Sibley⁶, D. Moras² and A. Podjarny<sup>2

1</sup>  Advanced Biomedical Computing Centre, National Cancer Institute, SAIC, Frederick 21701, Maryland, U.S.A.
²  UPR de Biologie Structurale, IGBMC, 1 rue Laurent Fries, 67404 Illkirch, France
³  IFLYSIB, 59#789, La Plata, Argentina.
⁴  Laboratoire de Chimie Organique Biologique, Institut de Chimie, Université Louis Pasteur, 4 rue Blaise Pascal, 67008 Strasbourg cedex, France
⁵  Biosciences Division, Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois, U.S.A.
⁶  Institute for Diabetes Discovery, Inc., Branford, CT, U.S.A.

Abstract
Aldose Reductase is an enzyme involved in diabetic complications, thoroughly studied for the purpose of inhibitor development. The structure of an enzyme-inhibitor complex solved at sub-atomic resolution has been used to develop a model for the catalytic mechanism. This model has been refined using a combination of Molecular Dynamics and Quantum calculations. It shows that the proton donation, the subject of previous controversies, is the combined effect of three residues : Lys 77, Tyr 48 and His 110. Lys 77 polarises the Tyr 48 OH group, which donates the proton to His 110, which becomes doubly protonated. His 110 then moves and donates the proton to the substrate. The key information from the sub-atomic resolution structure is the orientation of the ring and the single protonation of the His 110 in the enzyme-inhibitor complex. This model is in full agreement with all available experimental data.

Résumé
L'aldose réductase est un enzyme impliqué dans des complications diabétiques. Il fait l'objet d'études approfondies dans le but de développer des inhibiteurs. La structure d'un complexe enzyme-inhibiteur, déterminée à résolution sub-atomique, a été utilisée pour développer un modèle du mécanisme catalytique. Ce modèle a été affiné en utilisant une combinaison de dynamique moléculaire et de calculs quantiques. Il montre que la donation du proton, objet de nombreuses controverses, est due à l'effet combiné de trois résidus : Lys 77, Tyr 48 et His 110. Lys 77 polarise le groupement OH de Tyr 48, dont le proton est donné à His 110, qui est alors doublement protonée. His 110 est alors déplacée et donne le proton au substrat. L'information clé fournie par la structure à résolution sub-atomique est l'orientation du cycle et la protonation simple de His 110 dans le complexe enzyme-inhibiteur. Ce modèle est en complet accord avec toutes les données expérimentales disponibles.

© EDP Sciences 2000