Mn(II) Oxidation by the Multicopper Oxidase Complex Mnx: A Coordinated Two-Stage Mn(II)/(III) and Mn(III)/(IV) Mechanism

化学 多铜氧化酶 焦磷酸盐 电子顺磁共振 电子转移 催化作用 无机化学 活动站点 氧化还原 立体化学 光化学 有机化学 漆酶 物理 核磁共振
作者
Alexandra Soldatova,Christine A. Romano,Lizhi Tao,Troy A. Stich,William H. Casey,R. David Britt,Bradley M. Tebo,Thomas G. Spiro
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:139 (33): 11381-11391 被引量:68
标识
DOI:10.1021/jacs.7b02772
摘要

The bacterial manganese oxidase MnxG of the Mnx protein complex is unique among multicopper oxidases (MCOs) in carrying out a two-electron metal oxidation, converting Mn(II) to MnO2 nanoparticles. The reaction occurs in two stages: Mn(II) → Mn(III) and Mn(III) → MnO2. In a companion study, we show that the electron transfer from Mn(II) to the low-potential type 1 Cu of MnxG requires an activation step, likely forming a hydroxide bridge at a dinuclear Mn(II) site. Here we study the second oxidation step, using pyrophosphate (PP) as a Mn(III) trap. PP chelates Mn(III) produced by the enzyme and subsequently allows it to become a substrate for the second stage of the reaction. EPR spectroscopy confirms the presence of Mn(III) bound to the enzyme. The Mn(III) oxidation step does not involve direct electron transfer to the enzyme from Mn(III), which is shown by kinetic measurements to be excluded from the Mn(II) binding site. Instead, Mn(III) is proposed to disproportionate at an adjacent polynuclear site, thereby allowing indirect oxidation to Mn(IV) and recycling of Mn(II). PP plays a multifaceted role, slowing the reaction by complexing both Mn(II) and Mn(III) in solution, and also inhibiting catalysis, likely through binding at or near the active site. An overall mechanism for Mnx-catalyzed MnO2 production from Mn(II) is presented.
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