Aspergillus nigerからのフェルル酸デカルボキシラーゼの触媒反応に関する機械的洞察：QM/MM研究

ユビキノンは好気性細胞呼吸電子輸送鎖で極めて重要な役割を果たしますが、フェルル酸デカルボキシラーゼ（FDC）はユビキノン前駆体の生合成に関与しています。最近、FDCの完全な結晶構造（大腸菌のA. niger FDC1遺伝子と大腸菌の関連するUbix遺伝子との共発現に基づく）が高解像度で報告されました。本明細書では、FDCの詳細な触媒非酸化脱炭酸メカニズムが、併用量子力学/分子力学（QM/MM）アプローチによって調査されている。計算結果は、基質と補因子の1,3-双極子環化の後、カルボキシル基が付加物から容易に分裂できることを示しており、触媒反応全体の全体的なエネルギー障壁は23.5 kcal mol-1であることを示しています。エネルギーバリア分析によると、プロトン化ステップは速度制限です。保存されたプロトン化Glu282は、「水橋」を介してプロトンドナーであることが示唆されています。その上、2つのケース、つまり、生成されたCO2がアクティブサイトから逃げたり、アクティブサイトに残っていることが考慮されました。CO2の長期にわたる離れることで、中間体のプロトン化を促進できることがわかった。特に、我々の計算は、脱炭酸段階での補因子prfmniminiumとprfmnketamineの両方の詳細な機能に光を当てました。補因子prfmniminiumは、prfmnketamineと比較して触媒的に関連する種です。

Ubiquinone plays a pivotal role in the aerobic cellular respiratory electron transport chain, whereas ferulic acid decarboxylase (FDC) is involved in the biosynthesis of ubiquinone precursor. Recently, the complete crystal structure of FDC (based on the co-expression of the A. niger fdc1 gene in E. coli with the associated ubix gene from E. coli) at high resolution was reported. Herein, the detailed catalytic non-oxidative decarboxylation mechanism of FDC has been investigated by a combined quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) approach. Calculation results indicate that, after the 1,3-dipolar cycloaddition of the substrate and cofactor, the carboxylic group can readily split off from the adduct, and the overall energy barrier of the whole catalytic reaction is 23.5 kcal mol-1. According to the energy barrier analysis, the protonation step is rate-limiting. The conserved protonated Glu282 is suggested to be the proton donor through a "water bridge". Besides, two cases, that is, the generated CO2 escapes from the active site or remains in the active site, were considered. It was found that the prolonged leaving of CO2 can facilitate the protonation of the intermediate. In particular, our calculations shed light on the detailed function of both cofactors prFMNiminium and prFMNketamine in the decarboxylation step. The cofactor prFMNiminium is the catalytically relevant species compared with prFMNketamine.