Cofactor-Free Dioxygenases-Catalyzed Reaction Pathway via Proton-Coupled Electron Transfer

化学 质子耦合电子转移 电子转移 单重态 QM/毫米 催化作用 直接的 离解(化学) 光化学 立体化学 物理化学 有机化学 激发态 物理 核物理学
作者
Qiaoyu Zhang,Xing Li,Jing Luo,Xue Li,Jinshuai Song,Donghui Wei
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:127 (1): 95-103 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.2c03161
摘要

Understanding the general mechanism of the metal-free and cofactor-free oxidases and oxygenases catalyzed activation of triplet O2 is one of the most challenging questions in the field of enzymatic catalysis. Herein, we have performed Quantum Mechanics/Molecular Mechanics (QM/MM) multiscale simulations to reveal the detailed mechanism of the HOD catalyzed (i.e., 1-H-3-hydroxy-4-oxoquinaldine 2,4-dioxygenase from Arthrobacter nitroguajacolicus Rü61a) decomposition of N-heteroaromatic compounds. The complete catalytic mechanism includes four steps: (1) proton transfer from 1-H-3-hydroxy-4-oxoquinaldine (QND) substrate to His251 residue coupled with an electron transfer from QND to triplet O2 (i.e., PCET), (2) formation of C-O bond via an open-shell singlet diradical recombination pathway, (3) ring-closure to form a bicyclic ring, and (4) dissociation of CO. The dissociation of CO is determined as the rate-limiting step, and its calculated energy barrier of 14.9 kcal/mol is consistent with the 15.5 kcal/mol barrier derived from experimental kinetic data. The mechanistic profile is not only valuable for understanding the fundamental pathway of cofactor-free oxidases and oxygenases-catalyzed reactions involving the triplet O2 activation but also discloses a new pathway that undergoes the processes of PCET and open-shell singlet transition state.
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