Abstract
The mechanism of catalytic reduction of folic and dihydrofolic acids to tetrahydrofolate, which proceeds under the action of dihydrofolate reductase and the coenzyme NADPH, is considered. The roles of the enzyme active site, the coenzyme, individual amino acid residues of the enzyme, and water molecules in the catalytic reaction are discussed. Interactions of the enzyme with competitive inhibitors many of which are widely used in medicine as antitumor and antibacterial drugs are examined. The factors controlling the selectivity of inhibitor binding to bacterial forms of the enzyme are analyzed. The results of X-ray diffraction and NMR spectroscopic studies of the structures of the enzyme and its complexes with the substrate and inhibitors are surveyed. The role of specific interactions and molecular motions of the protein and ligands in the mechanism of catalysis and in the binding of the ligands to the enzyme is discussed.
Similar content being viewed by others
References
R. L. Blakley, Chemistry and Biochemistry of Folates, in Folates and Pterins, Wiley, New York, 1984, 191.
G. H. Hitchings, Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 1989, 28, 879.
D. P. Baccanari and L. F. Kuyper, J. Chemother., 1993, 5, 393.
J. T. Bolin, D. J. Filman, D. A. Matthews, R. C. Hamlin, and J. Kraut, J. Biol. Chem., 1982, 257, 13650.
C. Bystroff, S. J. Oatley, and J. Kraut, Biochemistry, 1990, 29, 3263.
C. Bystroff and J. Kraut, Biochemistry, 1991, 30, 2227.
M. S. Warren, K. A. Brown, M. F. Farnum, E. E. Howell, and J. Kraut, Biochemistry, 1991, 30, 11092.
K. A. Brown, E. E. Howell, and J. Kraut, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1993, 90, 11753.
V. M. Reyes, M. R. Sawaya, K. A. Brown, and J. Kraut, Biochemistry, 1995, 34, 2710.
H. Lee, V. M. Reyes, and J. Kraut, Biochemistry, 1996, 35, 7012.
M. R. Sawaya and J. Kraut, Biochemistry, 1997, 36, 586.
J. Dunbar, H. P. Yennawar, S. Banerjee, J. Luo, and G. K. Farber, Protein Sci., 1997, 6, 1727.
D. A. Matthews, R. A. Alden, J. T. Bolin, D. J. Filman, S. T. Freer, R. Hamlin, W. G. Hol, R. L. Kisliuk, E. J. Pastore, L. T. Plante, N. Xuong, and J. Kraut, J. Biol. Chem., 1978, 253, 6946.
W. D. Morgan, B. Birdsall, V. I. Polshakov, D. Sali, I. Kompis, and J. Feeney, Biochemistry, 1995, 34, 11690.
A. R. Gargaro, A. Soteriou, T. A. Frenkiel, C. J. Bauer, B. Birdsall, V. I. Polshakov, I. L. Barsukov, G. C. Roberts, and J. Feeney, J. Mol. Biol., 1998, 277, 119.
V. I. Polshakov, B. Birdsall, T. A. Frenkiel, A. R. Gargaro, and J. Feeney, Protein Sci., 1999, 8, 467.
J. N. Champness, A. Achari, S. P. Ballantine, P. K. Bryant, C. J. Delves, and D. K. Stammers, Structure, 1994, 2, 915.
V. Cody, N. Galitsky, J. R. Luft, W. Pangboarn, A. Gangjee, R. Devraj, S. F. Queener, and R. L. Blakley, Acta Crystallogr., Sect. D, 1997, 53, 638.
V. Cody, N. Galitsky, D. Rak, J. R. Luft, W. Pangborn, and S. F. Queener, Biochemistry, 1999, 38, 4303.
V. Cody, D. Chan, N. Galitsky, D. Rak, J. R. Luft, W. Pangborn, S. F. Queener, C. A. Laughton, and M. F. Stevens, Biochemistry, 2000, 39, 3556.
R. Li, R. Sirawaraporn, P. Chitnumsub, W. Sirawaraporn, J. Wooden, F. Athappilly, S. Turley, and W. G. Hol, J. Mol. Biol., 2000, 295, 307.
T. Dams, G. Auerbach, G. Bader, U. Jacob, T. Ploom, R. Huber, and R. Jaenicke, J. Mol. Biol., 2000, 297, 659.
M. Whitlow, A. J. Howard, D. Stewart, K. D. Hardman, L. F. Kuyper, D. P. Baccanari, M. E. Fling, and R. L. Tansik, J. Biol. Chem., 1997, 272, 30289.
U. Pieper, G. Kapadia, M. Mevarech, and O. Herzberg, Structure, 1998, 6, 75.
C. Oefner, A. D'Arcy, and F. K. Winkler, Eur. J. Biochem., 1988, 174, 377.
J. F. D. Davies, T. J. Delcamp, N. J. Prendergast, V. A. Ashford, J. H. Freisheim, and J. Kraut, Biochemistry, 1990, 29, 9467.
W. S. Lewis, V. Cody, N. Galitsky, J. R. Luft, W. Pangborn, S. K. Chunduru, H. T. Spencer, J. R. Appleman, and R. L. Blakley, J. Biol. Chem., 1995, 270, 5057.
V. Cody, N. Galitsky, J. R. Luft, W. Pangborn, A. Rosowsky, and R. L. Blakley, Biochemistry, 1997, 36, 13897.
A. Gangjee, A. P. Vidwans, A. Vasudevan, S. F. Queener, R. L. Kisliuk, V. Cody, R. Li, N. Galitsky, J. R. Luft, and W. Pangborn, J. Med. Chem., 1998, 41, 3426.
D. A. Matthews, J. T. Bolin, J. M. Burridge, D. J. Filman, K. W. Volz, B. T. Kaufman, C. R. Beddell, J. N. Champness, D. K. Stammers, and J. Kraut, J. Biol. Chem., 1985, 260, 381.
M. A. McTigue, J. F. D. Davies, B. T. Kaufman, and J. Kraut, Biochemistry, 1992, 31, 7264.
M. A. McTigue, J. F. D. Davies, B. T. Kaufman, and J. Kraut, Biochemistry, 1993, 32, 6855.
F. M. Huennekens, Adv. Enzyme Regul., 1994, 34, 397.
G. C. K. Roberts, J. Feeney, B. Birdsall, P. Charlton, and D. W. Yaung, Nature, 1980, 286, 309.
B. I. Schweitzer, A. P. Dicker, and J. R. Bertino, FASEB J., 1990, 4, 2441.
J. G. Dann, G. Ostler, R. A. Bjur, R. W. King, P. Scudder, P. C. Turner, G. C. K. Roberts, A. S. V. Burgen, and N. G. L. Harding, Biochem. J., 1976, 157, 559.
S. D. Varfolomeev and K. G. Gurevich, Biokinetika. Prakticheskii kurs [Biokinetics. Practical Course], Far-press, Moscow, 1999, 716 pp. (in Russian).
C. A. Fierke, K. A. Johnson, and S. J. Benkovic, Biochemistry, 1987, 26, 4085.
S. J. Benkovic, C. A. Fierke, and A. M. Naylor, Science, 1988, 239, 1105.
C. R. Wagner, J. Thillet, and S. J. Benkovic, Biochemistry, 1992, 31, 7834.
J. Andrews, C. A. Fierke, B. Birdsall, G. Ostler, J. Feeney, G. C. K. Roberts, and S. J. Benkovic, Biochemistry, 1989, 28, 5743.
S. A. Margosiak, J. R. Appleman, D. V. Santi, and R. L. Blakley, Arch. Biochem. Biophys., 1993, 305, 499.
J. Thillet, J. A. Adams, and S. J. Benkovic, Biochemistry, 1990, 29, 5195.
J. R. Appleman, W. A. Beard, T. J. Delcamp, N. J. Prendergast, J. H. Freisheim, and R. L. Blakley, J. Biol. Chem., 1990, 265, 2740.
B. Birdsall, A. S. Burgen, E. I. Hyde, G. C. Roberts, and J. Feeney, Biochemistry, 1981, 20, 7186.
E. J. Pastore and M. Friedkin, J. Biol. Chem., 1962, 237, 3002.
P. A. Charlton, D. W. Young, B. Birdsall, J. Feeney, and G. C. K. Roberts, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, 1985, 1349.
J. E. Villafranca, E. E. Howell, D. H. Voet, M. S. Strobel, R. C. Ogden, J. N. Abelson, and J. Kraut, Science, 1983, 222, 782.
E. E. Howell, J. E. Villafranca, M. S. Warren, S. J. Oatley, and J. Kraut, Science, 1986, 231, 1123.
G. Maharaj, B. S. Selinsky, J. R. Appleman, M. Perlman, R. E. London, and R. L. Blakley, Biochemistry, 1990, 29, 4554.
J. E. Gready, J. Comput. Chem., 1985, 6, 377.
R. L. Blakley, J. R. Appleman, J. H. Freisheim, and M. J. Jablonsky, Arch. Biochem. Biophys., 1993, 306, 501.
B. S. Selinsky, M. E. Perlman, R. E. London, C. J. Unkefer, J. Mitchell, and R. L. Blakley, Biochemistry, 1990, 29, 1290.
Y. Q. Chen, J. Kraut, R. L. Blakley, and R. Callender, Biochemistry, 1994, 33, 7021.
B. Birdsall, J. Feeney, S. J. B. Tendler, S. J. Hammond, and G. C. K. Roberts, Biochemistry, 1989, 28, 2297.
H. T. Cheung, B. Birdsall, T. A. Frenkiel, D. D. Chau, and J. Feeney, Biochemistry, 1993, 32, 6846.
T. Uchimaru, S. Tsuzuki, K. Tanabe, S. J. Benkovic, K. Furukawa, and K. Taira, Biochem. Biophys. Res. Commun., 1989, 161, 64.
Y. Q. Chen, J. Kraut, and R. Callender, Biophys. J., 1997, 72, 936.
B. Birdsall, M. G. Casarotto, H. T. Cheung, J. Basran, G. C. Roberts, and J. Feeney, FEBS Lett., 1997, 402, 157.
I. P. Gerothanassis, B. Birdsall, C. J. Bauer, T. A. Frenkiel, and J. Feeney, J. Mol. Biol., 1992, 226, 549.
E. M. Meiering and G. Wagner, J. Mol. Biol., 1995, 247, 294.
M. G. Casarotto, J. Basran, R. Badii, K. H. Sze, and G. C. Roberts, Biochemistry, 1999, 38, 8038.
H. Deng and R. Callender, J. Am. Chem. Soc., 1998, 120, 7730.
J. Andres, V. Moliner, V. S. Safont, L. R. Domingo, M. T. Picher, and J. Krechl, Bioorg. Chem., 1996, 24, 10.
R. Castillo, J. Andres, and V. Moliner, J. Am. Chem. Soc., 1999, 121, 12140.
P. L. Cummins and J. E. Gready, J. Phys. Chem. B, 2000, 104, 4503.
P. L. Cummins and J. E. Gready, J. Comput. Chem., 1998, 19, 977.
J. Bajorath, J. Kraut, Z. Q. Li, D. H. Kitson, and A. T. Hagler, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1991, 88, 6423.
S. P. Greatbanks, J. E. Gready, A. C. Limaye, and A. P. Rendell, Proteins — Struct. Funct. Genet., 1999, 37, 157.
S. P. Greatbanks, J. E. Gready, A. C. Limaye, and A. P. Rendell, J. Comput. Chem., 2000, 21, 788.
J. A. Adams, C. A. Fierke, and S. J. Benkovic, Biochemistry, 1991, 30, 11046.
D. J. Filman, J. T. Bolin, D. A. Matthews, and J. Kraut, J. Biol. Chem., 1982, 257, 13663.
C. J. Falzone, P. E. Wright, and S. J. Benkovic, Biochemistry, 1994, 33, 439.
S. Farber, L. K. Diamond, R. D. Mercer, R. F. Sylvester, and J. A. Wolff, Nat. Engl. J. Med., 1948, 238, 787.
D. R. Seeger, D. B. Cosulich, J. M. Smith, J. R. Hultquist, and M. E. Hultquist, J. Am. Chem. Soc., 1949, 71, 1753.
B. Birdsall, A. S. Burgen, and G. C. Roberts, Biochemistry, 1980, 19, 3723.
L. Cocco, C. Temple, Jr., J. A. Montgomery, R. E. London, and R. L. Blakley, Biochem. Biophys. Res. Commun., 1981, 100, 413.
V. I. Polshakov, B. Birdsall, M. J. Gradwell, and J. Feeney, Theochem. — J. Mol. Struct., 1995, 357, 207.
D. J. Antonjuk, B. Birdsall, H. T. A. Cheung, G. M. Clore, J. Feeney, A. Gronenborn, G. C. K. Roberts, and T. Q. Tran, Br. J. Pharmacol., 1984, 81, 309.
J. Feeney, Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 2000, 39, 291.
A. Gronenborn, B. Birdsall, E. I. Hyde, G. C. Roberts, J. Feeney, and A. S. Burgen, Biochemistry, 1981, 20, 1717.
A. R. Gargaro, T. A. Frenkiel, P. M. Nieto, B. Birdsall, V. I. Polshakov, W. D. Morgan, and J. Feeney, Eur. J. Biochem., 1996, 238, 435.
P. M. Nieto, B. Birdsall, W. D. Morgan, T. A. Frenkiel, A. R. Gargaro, and J. Feeney, FEBS Lett., 1997, 405, 16.
B. Birdsall, V. I. Polshakov, and J. Feeney, Biochemistry, 2000, 39, 9819.
J. T. Chen, K. Taira, C. P. Tu, and S. J. Benkovic, Biochemistry, 1987, 26, 4093.
J. J. McGuire, P. Hsieh, J. K. Coward, and J. R. Bertino, J. Biol. Chem., 1980, 255, 5776.
D. E. McCloskey, J. J. McGuire, C. A. Russell, B. G. Rowan, J. R. Bertino, G. Pizzorno, and E. Mini, J. Biol. Chem., 1991, 266, 6181.
E. F. Elslager, J. L. Johnson, and L. M. Werbel, J. Med. Chem., 1983, 26, 1753.
F. Robert, Semin. Oncol., 1988, 15, 22.
J. T. Lin and J. R. Bertino, J. Clin. Oncol., 1987, 5, 2032.
R. C. Jackson, D. W. Fry, T. J. Boritzki, J. A. Besserer, W. R. Leopold, B. J. Sloan, and E. F. Elslager, Adv. Enzyme Regul., 1984, 22, 187.
V. I. Polshakov, W. D. Morgan, B. Birdsall, and J. Feeney, J. Biomol. NMR, 1999, 14, 115.
A. Hempel, N. Camerman, D. Mastropaolo, and A. Camerman, Acta Crystallogr., Sect. C, 2000, 56, 1225.
G. H. Hitchings, Jr., Vitro Cell, Dev. Biol., 1989, 25, 303.
D. P. Baccanari, S. Daluge, and R. W. King, Biochemistry, 1982, 21, 5068.
S. R. Stone and J. F. Morrison, Biochim. Biophys. Acta, 1986, 869, 275.
B. Birdsall, A. W. Bevan, C. Pascual, G. C. K. Roberts, J. Feeney, A. Gronenborn, and G. M. Clore, Biochemistry, 1984, 23, 4733.
J. N. Champness, D. K. Stammers, and C. R. Beddell, FEBS Lett., 1986, 199, 61.
C. R. Groom, J. Thillet, A. C. North, R. Pictet, and A. J. Geddes, J. Biol. Chem., 1991, 266, 19890.
V. I. Polshakov, B. Birdsall, and J. Feeney, Biochemistry, 1999, 38, 15962.
S. Sasso, I. Protasevich, R. Gilli, A. Makarov, and C. Briand, J. Biomol. Struct. Dyn., 1995, 12, 1023.
S. P. Sasso, R. M. Gilli, J. C. Sari, O. S. Rimet, and C. M. Briand, Biochim. Biophys. Acta, 1994, 1207, 74.
J. M. Johnson, E. M. Meiering, J. E. Wright, J. Pardo, A. Rosowsky, and G. Wagner, Biochemistry, 1997, 36, 4399.
G. Martorell, M. J. Gradwell, B. Birdsall, C. J. Bauer, T. A. Frenkiel, H. T. Cheung, V. I. Polshakov, L. Kuyper, and J. Feeney, Biochemistry, 1994, 33, 12416.
S. B. Shuker, P. J. Hajduk, R. P. Meadows, and S. W. Fesik, Science, 1996, 274, 1531.
P. J. Hajduk, R. P. Meadows, and S. W. Fesik, Science, 1997, 278, 497.
P. J. Hajduk, S. Boyd, D. Nettesheim, V. Nienaber, J. Severin, R. Smith, D. Davidson, T. Rockway, and S. W. Fesik, J. Med. Chem., 2000, 43, 3862.
P. J. Hajduk, J. Dinges, J. M. Schkeryantz, D. Janowick, M. Kaminski, M. Tufano, D. J. Augeri, A. Petros, V. Nienaber, P. Zhong, R. Hammond, M. Coen, B. Beutel, L. Katz, and S. W. Fesik, J. Med. Chem., 1999, 42, 3852.
P. J. Hajduk, J. Dinges, G. F. Miknis, M. Merlock, T. Middleton, D. J. Kempf, D. A. Egan, K. A. Walter, T. S. Robins, S. B. Shuker, T. F. Holzman, and S. W. Fesik, J. Med. Chem., 1997, 40, 3144.
Author information
Authors and Affiliations
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Polshakov, V.I. Dihydrofolate reductase: structural aspects of mechanisms of enzyme catalysis and inhibition. Russian Chemical Bulletin 50, 1733–1751 (2001). https://doi.org/10.1023/A:1014313625350
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1023/A:1014313625350