过氧化氢酶反应的分子机制,Journal of the American Chemical Society

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过氧化氢酶反应的分子机制
Journal of the American Chemical Society ( IF 14.4 ) Pub Date : 2009-08-26 , DOI: 10.1021/ja9018572
Mercedes Alfonso-Prieto ₁ , Xevi Biarnés ₁ , Pietro Vidossich ₁ , Carme Rovira ₁

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过氧化氢酶是一种普遍存在的酶，通过将过氧化氢降解为水和氧气 (2H(2)O(2) --> 2 H(2)O + O(2))，可以高效地防止细胞氧化损伤。该酶首先被氧化为高价铁中间体，称为化合物 I (Cpd I)，与其他氢过氧化物酶相反，它通过与 H(2)O(2) 进一步反应还原回静止状态。通过混合 QM/MM Car-Parrinello 元动力学模拟，我们研究了 H(2)O(2) 在幽门螺杆菌过氧化氢酶 (HPC) 和青霉菌过氧化氢酶 (PVC) 中还原化合物 I 的机制。我们发现 Cpd IH(2)O(2) 复合物通过氢原子从过氧化物转移到 oxoferryl 单元演变为类 Cpd II 物种。为了完成反应，可能有两种机制起作用：His 介导的 (Fita-Rossmann) 机制，涉及远端 His 作为酸碱催化剂，介导质子的转移（与电子转移相关），以及直接机制，其中发生氢原子转移。独立于机制，反应通过两个单电子转移而不是一个双电子转移进行，正如长期以来的传说。计算提供了反应过程中原子和电子重组的详细视图，并突出了远端残基在辅助反应中的关键作用。对计算机 HPC His56Gly 突变体和气相模型的额外计算提供了线索，以了解反应以低势垒进行的要求。它涉及远端 His 作为酸碱催化剂，介导质子转移（与电子转移相关），以及发生氢原子转移的直接机制。独立于机制，反应通过两个单电子转移而不是一个双电子转移进行，正如长期以来的传说。计算提供了反应过程中原子和电子重组的详细视图，并突出了远端残基在辅助反应中的关键作用。对计算机 HPC His56Gly 突变体和气相模型的额外计算提供了线索，以了解反应以低势垒进行的要求。它涉及远端 His 作为酸碱催化剂，介导质子转移（与电子转移相关），以及发生氢原子转移的直接机制。独立于机制，反应通过两个单电子转移而不是一个双电子转移进行，正如长期以来的传说。计算提供了反应过程中原子和电子重组的详细视图，并突出了远端残基在辅助反应中的关键作用。对计算机 HPC His56Gly 突变体和气相模型的额外计算提供了线索，以了解反应以低势垒进行的要求。反应通过两个单电子转移而不是一个双电子转移进行，正如长期以来的传说。计算提供了反应过程中原子和电子重组的详细视图，并突出了远端残基在辅助反应中的关键作用。对计算机 HPC His56Gly 突变体和气相模型的额外计算提供了线索，以了解反应以低势垒进行的要求。反应通过两个单电子转移而不是一个双电子转移进行，正如长期以来的传说。计算提供了反应过程中原子和电子重组的详细视图，并突出了远端残基在辅助反应中的关键作用。对计算机 HPC His56Gly 突变体和气相模型的额外计算提供了线索，以了解反应以低势垒进行的要求。

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The Molecular Mechanism of the Catalase Reaction

Catalases are ubiquitous enzymes that prevent cell oxidative damage by degrading hydrogen peroxide to water and oxygen (2H(2)O(2) --> 2 H(2)O + O(2)) with high efficiency. The enzyme is first oxidized to a high-valent iron intermediate, known as Compound I (Cpd I) which, in contrast to other hydroperoxidases, is reduced back to the resting state by further reacting with H(2)O(2). By means of hybrid QM/MM Car-Parrinello metadynamics simulations, we have investigated the mechanism of the reduction of Compound I by H(2)O(2) in Helicobacter pylori catalase (HPC) and Penicillium vitale catalase (PVC). We found that the Cpd I-H(2)O(2) complex evolves to a Cpd II-like species through the transfer of a hydrogen atom from the peroxide to the oxoferryl unit. To complete the reaction, two mechanisms may be operative: a His-mediated (Fita-Rossmann) mechanism, which involves the distal His as an acid-base catalyst mediating the transfer of a proton (associated with an electron transfer), and a direct mechanism, in which a hydrogen atom transfer occurs. Independently of the mechanism, the reaction proceeds by two one-electron transfers rather than one two-electron transfer, as has long been the lore. The calculations provide a detailed view of the atomic and electronic reorganizations during the reaction, and highlight the key role of the distal residues to assist the reaction. Additional calculations on the in silico HPC His56Gly mutant and gas-phase models provide clues to understand the requirements for the reaction to proceed with low barriers.

更新日期：2009-08-26

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