The devil is in the details: The chemical basis and mechanistic versatility of flavoprotein monooxygenases

黄素组 黄蛋白 化学 羟基化 共价键 单加氧酶 加合物 过氧化物 氧化还原 辅因子 组合化学 光化学 有机化学 细胞色素P450
作者
Marina Toplak,Arne Matthews,Robin Teufel
出处
期刊:Archives of Biochemistry and Biophysics [Elsevier BV]
卷期号:698: 108732-108732 被引量:55
标识
DOI:10.1016/j.abb.2020.108732
摘要

The ubiquitous flavoenzymes commonly catalyze redox chemistry such as the monooxygenation of organic substrates and are both widely utilized in nature (e.g., in primary and secondary metabolism) and of significant industrial interest. In this work, we highlight the structural and mechanistic characteristics of the distinct types of flavoprotein monooxygenases (FPMOs). We thereby illustrate the chemical basis of FPMO catalysis, which enables reactions such as (aromatic) hydroxylation, epoxidation, (de)halogenation, heteroatom oxygenation, Baeyer-Villiger oxidation, α-hydroxylation of ketones, or non-oxidative carbon-hetero bond cleavage. This seemingly unmatched versatility in oxygenation chemistry results from extensive fine-tuning and regiospecific functionalization of the flavin cofactor that is tightly controlled by the surrounding protein matrix. Accordingly, FPMOs steer the formation of covalent flavin-oxygen adducts for oxygen transfer in the form of the classical flavin-C4a-(hydro)peroxide or the recently discovered N5-functionalized flavins (i.e. the flavin-N5-oxide and the flavin-N5-peroxide), while in rare cases covalent oxygen adduct formation may be foregone entirely. Finally, we speculate about hitherto undiscovered flavin-mediated oxygenation reactions and compare FPMOs to cytochrome P450 monooxygenases, before addressing open questions and challenges for the future investigation of FPMOs.
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