药物设计 - C类β-内酰胺酶对头孢菌素的抗性提高

时间:2014-04-04

 

抗生素研究 - Cβ-内酰胺酶对头孢菌素的抗性提高

背景:β-内酰胺酶能够水解β-内酰胺类抗生素,从而使革兰氏阴性菌对β-内酰胺类抗生素产生抗性。来自美国的Bonomo教授以C类β-内酰胺酶CMY-32为研究对象,比较了该酶与另一个广谱类C类β-内酰胺酶CMY-2的生化性质。结果显示,前者对“合适”底物(比如cephalothin)的催化效率(kcat/Km)比后者要降低50-70%,而对“不适”底物(比如cefotaxime)的催化效率(kcat/Km)却要高。实验结果同时还表明,CMY-32较之CMY-2更容易被砜类β-内酰胺酶抑制剂抑制。由于CMY-32与CMY-2的氨基酸序列基本相同(前者仅在Ω loop存在一个Gly214Glu的单点替换),所以为了从结构水平说明两者的功能差别。

思路:作者使用DS MODELER构建了CMY-32与CMY-2的三维结构,并采用DS CHARMm对上述两个同源模型进行分子动力学模拟,结果表明CMY-32的Ω loop要比CMY-2的相应loop柔性更小。模拟结果还表明,在CMY-32中,活性位点处Gln120构象与CMY-2中不一致,且Glu214与Try221中还形成新的相互作用,使得CMY-32水解cefotaxime的活性上升。使用DS Flexbile Docking(考虑酶与底物“诱导契合”效应的全柔性分子对接程序),作者探索了新型β-内酰胺酶抑制剂BAL29880与CMY-2 和CMY-32结合模式,发现Lys67 和Asn152对于底物的结合起重要作用。

表1. CMY-2 and CMY-32的稳态反应动力学常数

 

图1. a:CMY-32(紫色)与CMY-2(黄色)的同源模型叠合图。两个结构在Ω loop(Val211-Val223)的构象变化最大;b:CMY-32与CMY-2结构相比,Tyr221、 Glu214侧链构象大不相同,且两者间形成氢键,这使CMY-32在Ω loop的柔性降低。CMY-2的残基标记为深绿色,CMY-32的残基标记为黄色。

图2. CTX(cefotaxime)与CMY-32的结合图。在CMY-32中,Gln120和Tyr221(灰色)的氨基酸侧链与其在CMY-2中的构象(深绿色)不相同。

CMY-32与CTX形成的氢键作用表示为黄色虚线,距离在2.1Å~2.3Å之间。

 

图3. BAL29880(橙色)与CMY-2的结合图。氢键距离用黄色标记,距离在1.8Å~2.1Å之间。

 

Ref: Andrea Endimiani, YoheiDoi, et al.Biochemistry. 2010,49, 1014–1023.