Local Electric Fields Drives the Proton-Coupled Electron Transfer within Cytochrome P450 Reductase

电子转移 QM/毫米 电子传输链 质子 质子化 质子耦合电子转移 化学物理 化学 分子动力学 物理 光化学 计算化学 有机化学 生物化学 离子 量子力学
作者
Ningning Li,Shengheng Yan,Peng Wu,Junfeng Li,Binju Wang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (10): 7893-7900 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c02215
摘要

Cytochrome P450 enzymes play a pivotal role in biosynthetic and metabolic transformations. Especially, cytochrome P450 reductase (CPR) acts as the key electron donor for the oxygen activation by P450 monoxygenases, but the electron transfer mechanism within CPR is largely elusive. Here, extensive molecular dynamics (MD) and quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) calculations were performed to elucidate CPR's electron transfer mechanism. We found that electron transfer from FADH– to FMN occurs through a proton-coupled electron transfer (PCET) mechanism. Here, Glu142 transfers a proton to FMN via a two-water-molecule chain, concurrent with electron transfer from FADH– to FMN. The subsequent ET from FADH• to FMNH• involves an Asp675-mediated PCET process, where the Ser457-assisted proton transfer from FADH• to Asp675 is coupled with electron transfer from FADH• to FMNH•. Notably, the local electric field from the doubly protonated His180 significantly enhances the PCET reactions both kinetically and thermodynamically. This study highlights the vital role of the local electric field in facilitating biological electron transfer for enzymatic reactions.
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