Reactivity of Manganese and Iron Metalloenzyme Models
锰和铁金属酶模型的反应性
基本信息
- 批准号:10624814
- 负责人:
- 金额:$ 29.06万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2013
- 资助国家:美国
- 起止时间:2013-09-01 至 2024-05-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:Active SitesAddressAnabolismBindingBiological ProcessBiomimeticsCarbonCatalysisCell NucleusChargeChloride PeroxidaseComplementComplexContractsCoupledCytochrome P450DiagnosticDioxygenDioxygenasesDiseaseDissociationDrug Metabolic DetoxicationElectron TransportElectronicsEnergy TransferEnzymesEventExhibitsFamilyFree EnergyFundingGoalsHalogensHealthHemeHemeproteinsHumanHydrocarbonsHydrogen BondingHydrogen PeroxideHydroxyl RadicalIndolesIronKineticsLearningLigandsLigationManganeseMeasuresMediatingMetabolismMetalsMethodologyMethodsModelingModificationNatureOutcomeOxidantsOxidation-ReductionOxygenPathway interactionsPatternPlayPorphyrinsProcessPropertyProteinsProtonsReactionResearchRoleSeriesStructureStructure-Activity RelationshipSystemTechniquesTherapeuticThermodynamicsTimeTryptophanTryptophan 2,3 DioxygenaseTryptophanaseWorkadductanalogcatalystcofactorcold temperaturecomputer studiescorroledesignelectronic structureenzyme mechanismfeasibility testingknowledge basemetalloenzymenoveloxidationprogramssmall moleculestop flow technique
项目摘要
Project Summary
Heme proteins participate in many essential biological processes that are important to human health and
disease, and they are targets of both diagnostic and therapeutic treatments. An important subset of these
proteins are enzymes that activate dioxygen (O2) or its reduced analogs (e.g. H2O2). These enzymes utilize the
same iron cofactor to mediate a wide range of reactions, including mono- and dioxygenation of organic
substrates, C-H activation, desaturation, and C-C bond cleavage. How nature tunes the metal center and active
site of these enzymes to mediate such a wide range of functionality is a question of fundamental significance
that continues to motivate significant research. This proposal focuses on the synthesis and reactivity of small-
molecule model complexes of key intermediates, and their related bond-making/bond-breaking events, proposed
in the mechanisms of the thiolate-ligated heme enzymes Cytochrome P450 (CYP), chloroperoxidase (CPO), and
aromatic peroxygenase (APO), and the non-thiolate-ligated heme dioxygenases tryptophan-2,3-dioxygenase
(TDO) and indoleamine-2,3-dioxygenase (IDO). The thiolate-ligated heme enzymes are capable of oxidizing
hydrocarbon C-H bonds, and the proposed mechanism involves H-atom transfer (HAT) (proton-coupled electron-
transfer, PCET) from R-H to an intermediate called Compound-I (Fe=O), followed by hydroxyl transfer
(“rebound”) from protonated Compound-II (Fe-OH) to give the ROH product. However, the rebound step can be
diverted to other pathways, leading to distinctly different reaction outcomes. Many questions remain regarding
the fundamental structural, electronic, thermodynamic and kinetic factors that control both HAT and rebound
steps. In contrast, TDO/IDO are proposed to rely on an Fe(O2) adduct and Compound-II as active oxidants,
although much remains to be learned about this mechanism. Efforts in this proposal will address these questions
through the synthesis and study of biomimetic M=O, M-OH, and M-O2 species that will be prepared with tailored
porphyrinoid ligands designed to stabilize these species and allow for their direct study. These ligands include
ring-contracted corroles (Crl) and corrolazines (Cz), which have a modified porphyrin nucleus which presents a
trianionic (3-) charge to the metal, similar to a thiolate-ligated heme active site. Our previous efforts showed that
the Crl and Cz platforms provide access to novel species not seen with conventional porphyrins, including a
Cpd-I analog with the same spin ground state as found in CYP and CPO, and the first example of a protonated
Cpd-II model. Systematic modifications can be made to these small-molecule models through established
synthetic methodologies, providing atomic-level control over their geometric/electronic structures, and providing
a means to establish structure-function relationships that can be challenging or impossible to obtain when
studying the enzymes alone. The long-term goals of the proposed work are: 1) to address fundamental
questions related to heme enzyme reactivity and mechanism, and 2) to build the knowledge base
regarding synthetic porphyrinoid complexes for applications in small-molecule activation and catalysis.
项目概要
血红素蛋白参与许多对人类健康和健康至关重要的重要生物过程。
疾病,它们是诊断和治疗的一个重要子集。
蛋白质是激活双氧 (O2) 或其还原类似物(例如 H2O2)的酶。
相同的铁辅助因子可介导多种反应,包括有机物的单氧化和双氧化
底物、C-H 活化、去饱和和 C-C 键裂解。大自然如何调节金属中心和活性。
这些酶介导如此广泛的功能的位点是一个具有根本意义的问题
该提案的重点是小分子的合成和反应性。
提出了关键中间体的分子模型复合物及其相关的成键/断键事件
硫醇连接血红素酶细胞色素 P450 (CYP)、氯过氧化物酶 (CPO) 和
芳香族过氧化酶 (APO) 和非硫醇盐连接的血红素双加氧酶色氨酸-2,3-双加氧酶
(TDO) 和吲哚胺-2,3-双加氧酶 (IDO) 硫醇连接的血红素酶能够氧化。
碳氢化合物 C-H 键,所提出的机制涉及氢原子转移 (HAT)(质子耦合电子-
PCET)从 R-H 转移到称为化合物-I (Fe=O) 的中间体,然后进行羟基转移
(“反弹”)从质子化的化合物-II(Fe-OH)得到ROH产物。然而,反弹步骤可以是。
转移到其他途径,导致明显不同的反应结果仍然存在许多问题。
控制 HAT 和回弹的基本结构、电子、热力学和动力学因素
相比之下,TDO/IDO 被建议依赖 Fe(O2) 加合物和化合物-II 作为活性氧化剂,
尽管关于这一机制还有很多东西需要了解,但本提案将努力解决这些问题。
通过合成和研究仿生 M=O、M-OH 和 M-O2 物种,这些物种将通过定制方法制备
类卟啉配体旨在稳定这些物种并允许对其进行直接研究。
缩环咔咯(Crl)和咔咯嗪(Cz),它们具有修饰的卟啉核,呈现出
金属上带有三阴离子 (3-) 电荷,类似于硫醇盐连接的血红素活性位点。
Crl 和 Cz 平台提供了传统卟啉所未见的新物种,包括
Cpd-I 类似物具有与 CYP 和 CPO 中相同的自旋基态,并且是质子化的第一个例子
通过建立Cpd-II模型可以对这些小分子模型进行系统修改。
合成方法,提供对其几何/电子结构的原子级控制,并提供
一种建立结构-功能关系的方法,这种关系在以下情况下可能具有挑战性或不可能获得:
单独研究酶的工作的长期目标是:1)解决根本问题。
与血红素酶反应性和机制相关的问题,以及 2) 建立知识库
关于合成卟啉复合物在小分子活化和催化中的应用。
项目成果
期刊论文数量(25)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Light-driven, proton-controlled, catalytic aerobic C-H oxidation mediated by a Mn(III) porphyrinoid complex.
由 Mn(III) 类卟啉复合物介导的光驱动、质子控制、催化需氧 C-H 氧化。
- DOI:10.1021/jacs.5b00816
- 发表时间:2015-04-15
- 期刊:
- 影响因子:15
- 作者:Neu HM;Jung J;Baglia RA;Siegler MA;Ohkubo K;Fukuzumi S;Goldberg DP
- 通讯作者:Goldberg DP
Dramatic influence of an anionic donor on the oxygen-atom transfer reactivity of a Mn(V) -oxo complex.
阴离子供体对 Mn(V) -氧配合物的氧原子转移反应性的显着影响。
- DOI:
- 发表时间:2014-11-03
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Neu, Heather M;Quesne, Matthew G;Yang, Tzuhsiung;Prokop;Lancaster, Kyle M;Donohoe, James;DeBeer, Serena;de Visser, Sam P;Goldberg, David P
- 通讯作者:Goldberg, David P
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类卟啉复合物的内消旋 N-甲基化:激活惰性 ReV(O) 科罗嗪的 H 原子转移能力。
- DOI:
- 发表时间:2017-02-07
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Joslin, Evan E;Zaragoza, Jan Paulo T;Siegler, Maxime A;Goldberg, David P
- 通讯作者:Goldberg, David P
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- DOI:
- 发表时间:2019-12-16
- 期刊:
- 影响因子:4.6
- 作者:Zaragoza, Jan Paulo T;Cummins, Daniel C;Mubarak, M Qadri E;Siegler, Maxime A;de Visser, Sam P;Goldberg, David P
- 通讯作者:Goldberg, David P
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外围取代基修饰对 P(V)、Mn(III) 和 Mn(V)(O) 科罗嗪的影响:X 射线晶体学、电化学和光谱性质以及 HAT 和 OAT 反应性。
- DOI:
- 发表时间:2016-09-06
- 期刊:
- 影响因子:4.6
- 作者:Joslin EE;Zaragoza JP;Baglia RA;Siegler MA;Goldberg DP
- 通讯作者:Goldberg DP
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