リン酸エステル加水分解における金属イオンの役割

多くのホスファターゼは、リン酸エステル加水分解の触媒を助けるために金属イオンを使用しています。ここでは、リン酸エステルモノアニオンの加水分解のための単純なモデルについて、ポテンシャルエネルギー表面（PES）、したがって好ましい反応メカニズムに対する金属イオンの影響を調査します。連合（A（n） + d（n））と解離性（d（n） + a（n））メカニズムの両方が、金属イオンの存在下と非存在下でポテンシャルエネルギー表面に表されていることを示していますが、D（N） + A（N）プロセスは、金属イオンが存在しない場合に好まれ、A（N） + D（N）プロセスが2つの金属イオンの存在下で好まれます。2つの金属イオンの存在下では、協調（A（N）D（N））プロセスも利用できますが、高エネルギー遷移状態を介して進行します。単一の金属イオンのみが存在する場合、A（n）d（n）プロセスが最も好まれていますが、高エネルギー遷移状態を介して進行します。したがって、金属イオンのないプロセスは、金属イオンなしで機能するものが解離プロセスに従う可能性があるのに対し、メタロ酵素ホスファターゼは連想プロセスを利用する可能性が高いと結論付けています。

Many phosphatases make use of metal ions to aid catalysis of phosphate ester hydrolysis. Here, we investigate the impact of metal ions on the potential energy surface (PES), and hence the preferred reaction mechanism, for a simple model for hydrolysis of phosphate ester monoanions. We show that, while both associative (A(N) + D(N)) and dissociative (D(N) + A(N)) mechanisms are represented on the potential energy surfaces both in the presence and absence of metal ions, the D(N) + A(N) process is favoured when there are no metal ions present and the A(N) + D(N) process is favoured in the presence of two metal ions. A concerted (A(N)D(N)) process is also available in the presence of two metal ions, but proceeds via a high-energy transition state. In the presence of only a single metal ion the A(N)D(N) process is the most favoured, but still proceeds via a high-energy transition state. Thus, we conclude that metallo-enzyme phosphatases are likely to utilise an associative process, while those that function without metal ions may well follow a dissociative process.