Coupled Transfers of Electrons and Protons

电子和质子的耦合转移

基本信息

  • 批准号:
    10330703
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 41.88万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-01-01 至 2026-12-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY/ABSTRACT The proposed research will develop a conceptual and quantitative framework for proton-coupled electron transfer (PCET) processes, in which the proton and electron transfer in a single chemical step. Such reactions are key to a wide range of essential biochemical processes, including respiration, photosynthesis and other aspects of bioenergetics, catalysis in oxidoreductases and other metalloenzymes, and the behavior of reactive oxygen species and antioxidants. These chemical reactions vary from hydrogen atom transfer (HAT), in which the two particles move ‘together,’ to processes where the proton and electron move to (or come from) different locations (multiple-site concerted proton-electron transfers, MS-CPET). Building on our prior studies and the specific advances in the last period. this project will examine how the rates and selectivities of such reactions are controlled by factors beyond the thermochemistry. Many biochemical processes interconvert carbon-centered radicals and C–H bonds, yet some of their reactions have little if any precedent in standard organic chemistry. For example, isoergic and uphill H-transfer between carbon atoms are extremely slow in solution, yet such reactions are widely used by the enzyme families with radical-SAM and vitamin B-12 cofactors, often reversibly. There are few solution examples of MS-CPET reactions of C–H bonds, yet these are predicted to be used in various enzymes in biology. Experiments using both organic and transition metal model systems will probe the essential properties of these reactions. These will include (i) shortening the H-transfer distance; (ii) polar effects; and/or (iii) having asynchronous transfer of the electron and proton due to asymmetry of the reaction free energy surface. HAT and MS-CPET processes may involve these factors in different ways. The oxidations of O–H bonds in biological systems often occur by MS-CPET, with proton transfer to a hydrogen-bonded base coupled to long-distance electron transfer. Examples range from the tyrosine-histidine pair in photosystem II to the multiple tyrosines in ribonucleotide reductases. Our recent studies of anthracene- phenol-pyridine triads provide new approaches to disentangle the key parameters affecting these reactions, their intrinsic barriers, vibronic couplings, and the nature of the hydrogen bonds. These systems undergo very rapid photo-induced PCET, including the first example of PCET in the Marcus Inverted Region, and can be tuned with various substitutions. This is an excellent platform to investigate the key parameters of MS-CPET in hydrogen- bonded systems, which are common biochemical reactions. This project will construct a more comprehensive and quantitative understanding of the intrinsic properties of PCET that are relevant to a range of important biochemical processes. These fundamental insights about redox reactions of C–H and O–H bonds will help unravel how biology evolved to control difficult transformations.
项目摘要/摘要 拟议的研究将为质子耦合电子构建一个概念和定量框架 转移(PCET)过程,其中质子和电子在单个化学步骤中转移。这样的反应 是广泛必不可少的生化过程的关键,包括呼吸,光合作用和其他 生物能学的各个方面,氧化还原酶和其他金属酶的催化以及反应性的行为 氧和抗氧化剂。这些化学反应因氢原子转移(HAT)而异,其中 两个粒子“一起”移动到质子和电子移动(或来自)不同的过程 位置(多个位点协同的质子电子转移,MS-CPET)。以我们先前的研究为基础 最后一个时期的具体进步。该项目将研究此类反应的比率和选择性 受热化学以外的因素控制。 许多生化过程互连以碳为中心的自由基和C – H键,但其中一些 反应在标准有机化学中几乎没有任何先例。例如,等速和上坡H-Transfer 碳原子之间的溶液极慢,但是这种反应被酶家族广泛使用 与自由基-SAM和维生素B-12辅助因子相比,通常是可逆的。 MS-CPET的解决方案示例很少 C – H键的反应,但这些反应被预测用于生物学的各种酶。实验使用 有机和过渡金属模型系统都将探测这些反应的基本特性。这些 将包括(i)缩短H-转移距离; (ii)极性效应;和/或(iii)具有异步转移 由于反应自由能表面不对称而引起的电子和质子。帽子和MS-CPET流程 可能以不同的方式涉及这些因素。 生物系统中O – H键的氧化通常是通过MS-CET发生的,质子转移到A 氢键基碱与长距离电子传递耦合。示例范围从酪氨酸 - 希斯丁定 在光系统II中将核糖核苷酸还原酶中的多个酪氨酸配对。我们最近关于蒽的研究 苯酚 - 吡啶三合会提供了新的方法,以解开影响这些反应的关键参数 固有的屏障,振动耦合和氢键的性质。这些系统经历非常迅速 照片诱导的PCET,包括Marcus倒置区域中PCET的第一个示例,并且可以调整 各种替代。这是研究MS-CPET在氢气中的关键参数的绝佳平台。 键合系统,这是常见的生化反应。 该项目将对内在属性建立更全面和定量的理解 与一系列重要的生化过程有关的PCET。这些关于 C – H和O – H键的氧化还原反应将有助于揭示生物学如何演变为控制困难转化。

项目成果

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