クロロペルオキシダーゼ活性部位の立体化学：結晶学および分子モデリング研究

背景：クロロペルオキシダーゼ（CPO）は、既知のヘム酵素の中で最も汎用性があります。活性化されたC-H結合の塩素化と、エナンチオ選択的エポキシドを含むペルオキシダーゼ、カタラーゼおよびシトクロムP450反応を触媒します。CPOには、P450のような近位ヘムチオレートリガンド、およびペルオキシダーゼのような極性遠位ポケットが含まれています。基質結合部位は、有機基質が活性化されたオックスベリル酸素原子に近づくことを可能にするヘムの上の開口部によって形成されます。CPOは、他のペルオキシダーゼとは異なり、ヒスチジン残基ではなく、グルタミン酸酸塩基触媒を利用しています。 結果：外因性リガンド、一酸化炭素、一酸化窒素、シアン化物、チオシアネートで複合したCPOの結晶構造が決定されています。遠位ポケットは、サイズとPKAに基づいてリガンドを識別します。洗練されたCPOリガンド構造は、不動のグルタミン酸酸塩基触媒を備えた剛性活性部位アーキテクチャを示しています。基質シスベタメチルスチレンおよび対応するエポキシド産物を使用したCPOの分子モデリングとダイナミクスシミュレーションは、CPO触媒エポキシ化反応のエナンチオ選択性を理解するための構造的かつエネルギー的な基礎を提供します。 結論：さまざまなCPOリガンド構造は、Glu183が酸塩基触媒として作用する中間化合物Iの形成の詳細な立体化学的メカニズムの基礎を提供します。活性部位で観察された剛性は、CPO化合物Iの相対的な不安定性とHOCI塩素化種の形成についても説明しています。CPO基質/製品分子モデリングのエネルギー論は、CPOのP450型エナンチオ選択的エポキシド化活性の理論的基礎を提供します。

BACKGROUND: Chloroperoxidase (CPO) is the most versatile of the known heme enzymes. It catalyzes chlorination of activated C-H bonds, as well as peroxidase, catalase and cytochrome P450 reactions, including enantioselective epoxidation. CPO contains a proximal heme-thiolate ligand, like P450, and polar distal pocket, like peroxidase. The substrate-binding site is formed by an opening above the heme that enables organic substrates to approach the activated oxoferryl oxygen atom. CPO, unlike other peroxidases, utilizes a glutamate acid-base catalyst, rather than a histidine residue. RESULTS: The crystal structures of CPO complexed with exogenous ligands, carbon monoxide, nitric oxide, cyanide and thiocyanate, have been determined. The distal pocket discriminates ligands on the basis of size and pKa. The refined CPO-ligand structures indicate a rigid active-site architecture with an immobile glutamate acid-base catalyst. Molecular modeling and dynamics simulations of CPO with the substrate cis-beta methylstyrene and the corresponding epoxide products provide a structural and energetic basis for understanding the enantioselectivity of CPO-catalyzed epoxidation reactions. CONCLUSIONS: The various CPO-ligand structures provide the basis for a detailed stereochemical mechanism of the formation of the intermediate compound I, in which Glu183 acts as an acid-base catalyst. The observed rigidity in the active site also explains the relative instability of CPO compound I and the formation of the HOCI chlorinating species. Energetics of CPO-substrate/ product molecular modeling provides a theoretical basis for the P450-type enantioselective epoxidation activities of CPO.