New insight into cofactor-free oxygenation from combined experimental and computational approaches

Abstract

Molecular oxygen (O), in spite being a potentially strong oxidant, typically displays very poor reactivity with organic molecules. This is largely due to quantum chemical reasons as O in its ground state is a diradical (O) whilst common organic substrates are in a singlet state. For this reason catalysis involving O as a reactant is typically mediated by enzymes containing redox metal and/or organic co-factors. Cofactor-independent oxygenases (and oxidases) are therefore intriguing enzymes from a fundamental viewpoint. This review looks at recent advances that have been made in understanding of this class of intriguing biocatalysts highlighting the power of an inter-disciplinary approach involving structural biology, spectroscopy and theoretical methods.

Rubisco is not really so bad

“…Hence, it has been proposed that so called "cofactor-independent" oxygenases proceed via a "substrate-assisted" mechanism, whereby the depronated substrate (carbanion) is able to directly transfer an electron to O 2 (as flavin cofactors do; Massey, 1994), leading to the formation of a substrate radical pair that recombines into a peroxide (Bui & Steiner, 2016;Machovina, Usselman, & DuBois, 2016;Silva, 2016 , 2015). Regardless of mechanistic details, the flavin analogy is very interesting, because the reactivity of protein-bound flavins towards O 2 has been shown to vary widely across flavoproteins, depending on their class and substrate specificity, with no obvious relation to their one electron redox potential E 0 ' (Mattevi, 2006).…”

Spin–catalysis of Unsaturated Substrates Oxidation by Cofactor–free Mono– and Di–oxygenases. How Triplet Oxygen Can Overcome Spin Prohibition

“…При обговоренні стадії оксигенації (рис. 2, крок 2) біохіміки завжди намагаються уникнути належного обговорення за звичайними посиланнями на концепцію Мессі [7,9,20,31]. За пропозицією Мессі [7], що супроводжується незалежним аналізом СОВ в супероксид-іоні, представленим в [2, 3] і заснованим на попередніх роботах [28][29][30] У рівнянні (4) перша квадратна дужка означає найвищу зайняту МО відновленого флавіну; наступні дві кисневі дужки позначають π g,x і π g,y вироджені орбіталі молекули O 2 [2].…”

“…2, крок 2). Тому проблема порушення спінової заборони в цих оксигеназах є найбільш інтригуючою [20][21][22][23][24][25][26][27]31]. Перша механічна концепція вільної від кофактору оксигенації [9,20,21] була запозичена з теорії Мессі про перенесення електронів і генерування іону супероксиду як і в флавінозалежних оксигеназах [7].…”

“…Ця спін-заборонена реакція включає зв'язування з киснем і розщеплення, що супроводжується значним перетворенням субстрату з подальшим розкладом. Жирним символом у формулі (5) позначимо атоми оксигену, що надходять в систему в ході реакції окиснення [31].…”

“…Каталізована бактеріальною HOD-диоксигеназою реакція (5) протікає без будьякого кофактора і викликається спеціальним розташуванням амінокислотних залишків, що оточують активний центр ферменту. Вони сприяють відновленню субстрату MHQ шляхом перенесення протона від О 3 Н на найближчий залишок гістидину (His251), і цей перший етап каталізу підтверджується всіма дослідженнями [20][21][22][23]31]. Ряд подібних 4-хінолонових субстратів також каталізується HOD [21].…”