Title: Computational Enzymology Code

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Title:   

 

Computational Enzymology 

Code:   

 

CSE-914 

Credit Hours:   

3-0 

 

Pre-requisite:   

Computational Chemistry, Biochemistry 

Description: 

This course combines lectures and laboratory exercises to teach the enzymatic structure and function with 

particular  emphasis  on  computational  biocatalysis.  The  course  provides  a  broad  understanding  of  the 

theory,  with  emphasis  on  the  application  of  computational  methods  to  enzymatic  reaction  mechanisms. 

Laboratory exercises provide hand-on training on practical methods in computational enzymology. 

Objectives: 

On  completion,  students  will  have  comprehensive  knowledge  and  understanding  of  a)  the  structure  and 

function of enzymes, b) enzyme kinetics, c) enzymatic reaction mechanisms, d) computational methods in 

enzymology and e) the practical knowledge of computational enzymology. 

Course Contents:  

1.

 

Enzyme Structure and Function 

(a)

 

Overview of Protein Chemistry 

(b)

 

Enzyme Commission Nomenclature 

(c)

 

Enzymatic and Non-Enzymatic Catalysis 

(d)

 

Catalytic Approaches Adopted by Enzymes 

2.

 

Enzyme kinetics 

(a)

 

Steady state kinetics 

(b)

 

Isotope effects 

(c)

 

Transient Phase kinetics 

(d)

 

pH-Rate profiles 

(e)

 

Allosteric Regulations 

3.

 

Computational Methods in Enzymology 

(a)

 

Hybrid Potentials for Large Bio-molecular Systems 

(b)

 

Conformational Search on High-Dimensional Energy Surface 

(c)

 

Conjugate Peak Refinement Method 

(d)

 

Boundary Interactions at the QM/MM Interface 

(e)

 

Combined Quantum Mechanical/Classical Molecular Dynamics Simulations 

4.

 

Reaction Mechanisms revealed by QM/MM investigations 

(a)

 

Biomolecular Motors 

(b)

 

RAS-GAP Signaling protein 

(c)

 

EcoRV enzyme 

Research Center for Modeling & Simulation (RCMS) 

National University of Sciences & Technology (NUST) 

 

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(d)

 

Lactate and Maltate Dehydrogenases 

(e)

 

Acetylcholinestrase 

(f)

 

Carbonic Anhydrase 

(g)

 

Ni-Fe Hydrogeanse 

(h)

 

HIV Protease 

5.

 

Challenges in Enzyme Modeling 

6.

 

lab work, workshops practice 

(a)

 

Energy Minimization Techniques 

(b)

 

Molecular Dynamics Simulations 

(c)

 

Rotamase Catalysis in FK506 Binding Protein (FKBP) 

Text Books/Reference Material:  

1.

 

Kiani  FA,  Fischer  S:  The  Catalytic  Strategy  of  P–O  Bond  Cleaving  Enzymes:  Comparing 

EcoRV and Myosin in Molecular Catalysts: Structure and Functional Design. With a foreword 

by Nobel Laureate Roald Hofmann Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA, 2014, 359-376.  

2.

 

Mulholland  AJ,  Grant  IM:  Computational  Enzymology:  Insights  into  Enzyme  Mechanism 

and  Catalysis  from  Modeling  in  Challenges  and  advances  in  Computational  Chemistry  and 

Physics. 2007, 4:275-304. 

3.

 

Zhu X, Yang Y, Yu H: In silico enzyme modeling, Australian Biochemist 2014, 45:12-15. 

4.

 

Frey PA, Hegeman AD: Enzyme Reaction Mechanisms, Oxford University Press, 2007. 

5.

 

Buchholz K, Bornscheuer UT: Biocatalysts and Enzyme Technology, Wiley-Blackwell, 2012. 

6.

 

Hou CT, Shaw J-F: Biocatalysis and Biomolecular Engineering, Wiley, 2010.

 

7.

 

Warshel  A:  Computer Simulations  of Enzyme Catalysis:  Methods,  Progress,  and  Insights 

Annu Rev Biophys Biomol Struct, 32: 425-443.  

8.

 

Warshel  A,  Sharma  PK,  Kato  M,  Xiang  Y,  Liu  H,  Olsson  MHM:  Electrostatic  Basis  for 

Enzyme Catalysis, Chem Rev 2006, 106:3210−3235 

9.

 

Kamerlin SCL, Warshel A: At the dawn of the 21st century: Is dynamics the missing link for 

understanding enzyme catalysis? Proteins Struct Funct Bioinf 2010, 78:1339–1375. 

10.

 

Warshel  A:  Molecular  Dynamics  Simulations  of  Biological  Reactions,  Acc  Chem  Res 

2002, 35:385–395. 

11.

 

Olsson  MHM,  Parson  WW,  Warshel  A:  Dynamical  Contributions  to  Enzyme  Catalysis: 

Critical Tests of A Popular Hypothesis, Chem Rev 2006, 106:1737−1756 

12.

 

Friesner  RA,  Guallar  V:  Ab  initio  quantum  chemical  and  mixed  quantum 

mechanics/molecular mechanics (QM/MM) methods for studying enzymatic catalysis, Annu 

Rev Phys Chem 2005, 56:389-427 DOI: 10.1146/annurev.physchem.55.091602.094410  

13.

 

Senn HM,  Thiel W: QM/MM studies of enzymes, Curr Opin Chem Biol, 2007, 11:182–187 

14.

 

Senn HM, Thiel W: QM/MM Methods for Bio-molecular Systems, Angew Chem Intl Ed 2009, 

48:1198–1229.