A model of the pressure dependence of the enantioselectivity of Candida rugosa lipase towards (±)-menthol

Abstract

Transesterification of (±)-menthol using propionic acid anhydride and Candida rugosa lipase was performed in chloroform and water at different pressures 1,10,50,and 100 bar) to study the pressure dependence of enantioselectivity E. As a result,E significantly decreased with increasing pressure from E = 55 (1 bar) to E = 47 (10 bar), E = 37 (50 bar), and E = 9 (100 bar). To rationalize the experimental findings, molecular dynamics simulations of Candida rugosa lipase were carried out. Analyzing the lipase geometry at 1,10, 50,and 100 bar revealed a cavity in the Candida rugosa lipase. The cavity leads from a position on the surface distinct from the substrate binding site to the core towards the active site,and is limited by F415 and the catalytic H449. In the crystal structure of the Candida rugosa lipase,this cavity is filled with six water molecules. The number of water molecules in this cavity gradually increased with increasing pressure:six molecules in the simulation at 1 bar,10 molecules at 10 bar,12 molecules at 50 bar,and 13 molecules at 100 bar. Likewise,the volume of the cavity progressively increased from about 1864 Å 3 in the simulation at 1 bar to 2529 Å 3 at 10 bar,2526 Å 3 at 50 bar,and 2617 Å 3 at 100 bar. At 100 bar,one water molecule slipped between F415 and H449, displacing the catalytic histidine side chain and thus opening the cavity to form a continuous water channel. The rotation of the side chain leads to a decreased distance between the H449-N and the (+)-menthyl-oxygen (nonpreferred enantiomer) in the acyl enzyme intermediate,a factor determining the enantioselectivity of the lipase. Although the geometry of the preferred enantiomer is similar in all simulations,the geometry of the nonpreferred enantiomer gets gradually more reactive. This observation correlates with the gradually decreasing enantioselectivity E.

Veresterung von (±)-Menthol mit Propionsäureanhydrid und der Lipase aus Candida rugosa wurde sowohl in Chloroform als auch in Wasser bei verschiedenen Drücken durchgeführt (1, 10, 50, 100 bar), um die Druckabhängigkeit der Enantioselektivität zu untersuchen. Als Ergebnis wurde eine deutliche Abnahme der Enantioselektivität mit steigendem Druck beobachtet (von E = 55 (1 bar) to E = 47 (10 bar), E = 37 (50 bar), and E = 9 (100 bar). Um dieses Resultat zu erklären, wurden molekulardynamische Berechnungen ausgeführt. Nach eine Analyse der Geometrie der Lipase konnte eine bei 1 bar Umgebungsdruck mit 6 Wassermolekülen gefüllte Tasche identifiziert werden. Diese Tasche füllt sich mit steigendem Druck mit immer mehr Wassermolekülen und öffnet sich schließlich bei 100 bar Druck zum aktiven Zentrum hin. Sie bildet einen Wasserkanal, der von der Oberflächer der Lipase bis hin zum aktiven Zentrum reicht. Bei 100 bar befindet sich ein Wassermolekül zwischen F415 und H449, dem katalytisch aktiven Histidin, wobei die Seitenkette des H449 verschoben wird. Damit nimmt der Abstand zwischen dem H449-N-Atom und dem (+)-Menthyl-Sauerstoffatom (langsames Enantiomer) im tetrahedrale Intermediat stärker ab als der entsprechende Abstand für das (-)-Menthyl-Sauerstoffatom (schnelles Enantiomer). Dieser Abstand jedoch ist entscheidend für die Enantioselektivität der Lipase. Während sich die Geomtrie des gut umgesetzten Enantiomers kaum ändert, wird im Vergleich hierzu die Geometrie des schlecht umgesetzten Enantiomers immer reaktiver. Diese Beobachtung korreliert mit der mit steigendem Druck abnehmenden Enantioselektivität.