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碳青霉烯类抗生素生物合成中 C5 立体反转反应的机制。

Mechanism of the C5 stereoinversion reaction in the biosynthesis of carbapenem antibiotics.

机构信息

Department of Chemistry, The Pennsylvania State University, University Park, PA 16802, USA.

出版信息

Science. 2014 Mar 7;343(6175):1140-4. doi: 10.1126/science.1248000.

Abstract

The bicyclic β-lactam/2-pyrrolidine precursor to all carbapenem antibiotics is biosynthesized by attachment of a carboxymethylene unit to C5 of L-proline followed by β-lactam ring closure. Carbapenem synthase (CarC), an Fe(II) and 2-(oxo)glutarate (Fe/2OG)-dependent oxygenase, then inverts the C5 configuration. Here we report the structure of CarC in complex with its substrate and biophysical dissection of its reaction to reveal the stereoinversion mechanism. An Fe(IV)-oxo intermediate abstracts the hydrogen (H•) from C5, and tyrosine 165, a residue not visualized in the published structures of CarC lacking bound substrate, donates H• to the opposite face of the resultant radical. The reaction oxidizes the Fe(II) cofactor to Fe(III), limiting wild-type CarC to one turnover, but substitution of the H•-donating tyrosine disables stereoinversion and confers to CarC the capacity for catalytic substrate oxidation.

摘要

所有碳青霉烯类抗生素的双环 β-内酰胺/2-吡咯烷前体是通过将羧亚甲基单元连接到 L-脯氨酸的 C5 上,然后进行 β-内酰胺环闭环生物合成的。碳青霉烯合酶 (CarC) 是一种依赖 Fe(II)和 2-(氧代)戊二酸 (Fe/2OG) 的加氧酶,然后反转 C5 构型。在这里,我们报告了 CarC 与其底物复合物的结构,并对其反应进行了生物物理剖析,以揭示立体反转机制。Fe(IV)-氧中间体能从 C5 上提取氢 (H•),而酪氨酸 165 是一个残基,在缺乏结合底物的已发表的 CarC 结构中没有被观察到,它将 H•捐赠给自由基的相反面。该反应将 Fe(II)辅因子氧化为 Fe(III),这限制了野生型 CarC 仅进行一次周转,但取代供氢的酪氨酸会使立体反转失活,并赋予 CarC 催化底物氧化的能力。

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