Enzymatische Eliminierung von Ammoniak aus Histidin und Phenylalanin: der Friedel‐Crafts‐ähnliche Mechanismus

Abstract

Die erstaunlich hohe katalytische Aktivität und Selektivität von Enzymen manifestiert sich einerseits in einer Beschleunigung der Zielreaktion und andererseits in der Unterdrückung alternativer Reaktionswege, die ohne das betreffende Enzym kinetisch kompetitiv oder sogar dominant wären. Histidin‐ und Phenylalanin‐Ammoniak‐Lyasen (HALs und PALs) z. B. bewirken eine Abspaltung des nicht‐aciden β‐Protons dieser Aminosäuren, ohne das weitaus acidere Ammonium‐Proton anzutasten. Beide Ammoniak‐Lyasen enthalten eine katalytisch wichtige elektrophile Gruppe, die während dreißig Jahren für Dehydroalanin gehalten wurde. Die Röntgenkristallstruktur von HAL ließ jedoch eine andere elektrophile Gruppe erkennen, nämlich 5‐Methylen‐3,5‐dihydroimidazol‐4‐on (MIO), die UV‐spektroskopisch auch in PAL nachgewiesen wurde. Kürzlich ermittelte Röntgenkristallstrukturen von PAL aus Rhodosporidium toruloides und Petrosilenum crispum bestätigten das Vorliegen der MIO‐Gruppe. Experimente legen nahe, dass die Reaktion durch einen elektrophilen Angriff von MIO auf den aromatischen Ring des Substrates gestartet wird. Diese Friedel‐Crafts‐ähnliche Reaktion aktiviert das β‐Proton und führt zu seiner stereospezifischen Abspaltung mit nachfolgender Eliminierung von Ammoniak und Regenerierung der MIO‐Gruppe. Die Plausibilität eines solchen Mechanismus wird durch ein synthetisches Modell gestützt. Diskutiert wird außerdem die Anwendung der PAL‐Reaktion in der biokatalytischen Synthese von enantiomerenreinen α‐Amino‐β‐arylpropionaten aus Arylacrylaten.

Einfluss einer einzelnen Aminosäure auf den Reaktionsmechanismus von Ammonium‐Lyasen und ‐Mutasen

“…[1] Bisher wurden zwei unterschiedliche Wege vorgeschlagen -Eliminierungs-oder Friedel-Crafts-Reaktion -, was bedeutet, dass diese Enzyme eine Art katalytischer Promiskuität bezüglich der Art und Weise, wie Bindungen gebildet oder gebrochen werden, aufweisen. [2] Dies wirft die Frage auf, wieso die Natur unterschiedliche Ansätze verfolgen sollte, um dasselbe Ziel zu erreichen.…”

“…[1] Dieser Mechanismus wird am stärksten durch eine kürzlich veröf-fentlichte Kristallstruktur einer Tyrosin-Ammonium-Mutase (TAM) gestützt, die ein kovalentes Addukt der MIO-Einheit und der Aminogruppe des Substrats aufweist. [6] Dies widerspricht jedoch der Beobachtung, dass Histidin-AmmoniumLyasen (HALs) ohne intakte MIO-Einheit 5-Nitrohistidin umsetzen, was den E 1 cB-Mechanismus ausschließt.…”

Biosynthesis of (R)-β-Tyrosine and Its Incorporation into the Highly Cytotoxic Chondramides Produced by Chondromyces crocatus

“…Members of this family contain a signature Ala-Ser-Gly motif, which rearranges to the prosthetic group, 4-methylidene-imidazole-5-one (MIO) (14). MIO acts as the catalytic electrophile in the enzyme active site, promoting the difficult ␣,␤ elimination of ammonia from the amino acid (15). This elimination also constitutes the first half of the SgcC4-catalyzed transformation, but instead of releasing the resultant ammonia and ␣,␤-unsaturated acid as free products, the enzyme catalyzes Michael addition between the enzyme-bound intermediates, affording the ␤-amino acid as an end product.…”

Efficient Tandem Biocatalytic Process for the Kinetic Resolution of Aromatic β‐Amino Acids

“…By introducing PAL into the reaction system, PAM can also be used for the preparation of (S)-bamino acids. Since different PALs possess varying substrate spectra, [17] the substrate range of this tandem process can be broadened by using other PALs (e.g., PAL from Petroselinum crispum). [13] Considering the mild reaction conditions, the fact that no expensive cofactors are required and the simple downstream-processing, this newly introduced shiftmoving enzymatic system provides an attractive method for the preparation of useful chiral building blocks.…”