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血红素蛋白辅因子取代的氧化还原工程化以增强环丙烷化反应活性。

Redox Engineering of Myoglobin by Cofactor Substitution to Enhance Cyclopropanation Reactivity.

机构信息

Department of Applied Chemistry, Graduate School of Engineering, Osaka University, Suita, Osaka, 565-0871, Japan.

Innovative Catalysis Science Division, Institute for Open and Transdisciplinary Research Initiatives (ICS-OTRI), Osaka University, Suita, Osaka, 565-0871, Japan.

出版信息

Angew Chem Int Ed Engl. 2024 Sep 2;63(36):e202403485. doi: 10.1002/anie.202403485. Epub 2024 Jul 4.

DOI:10.1002/anie.202403485
PMID:38780472
Abstract

Design of metal cofactor ligands is essential for controlling the reactivity of metalloenzymes. We investigated a carbene transfer reaction catalyzed by myoglobins containing iron porphyrin cofactors with one and two trifluoromethyl groups at peripheral sites (FePorCF and FePor(CF), respectively), native heme and iron porphycene (FePc). These four myoglobins show a wide range of Fe(II)/Fe(III) redox potentials in the protein of +147 mV, +87 mV, +42 mV and -198 mV vs. NHE, respectively. Myoglobin reconstituted with FePor(CF) has a more positive potential, which enhances the reactivity of a carbene intermediate with alkenes, and demonstrates superior cyclopropanation of inert alkenes, such as aliphatic and internal alkenes. In contrast, engineered myoglobin reconstituted with FePc has a more negative redox potential, which accelerates the formation of the intermediate, but has low reactivity for inert alkenes. Mechanistic studies indicate that myoglobin with FePor(CF) generates an undetectable active intermediate with a radical character. In contrast, this reaction catalyzed by myoglobin with FePc includes a detectable iron-carbene species with electrophilic character. This finding highlights the importance of redox-focused design of the iron porphyrinoid cofactor in hemoproteins to tune the reactivity of the carbene transfer reaction.

摘要

金属辅因子配体的设计对于控制金属酶的反应性至关重要。我们研究了含有铁卟啉辅因子的肌红蛋白催化的卡宾转移反应,该辅因子在周边位置具有一个和两个三氟甲基(分别为 FePorCF 和 FePor(CF))、天然血红素和铁卟啉(FePc)。这四种肌红蛋白在蛋白质中表现出广泛的 Fe(II)/Fe(III) 氧化还原电位,分别为 +147 mV、+87 mV、+42 mV 和 -198 mV 相对于 NHE。与 FePor(CF) 重组的肌红蛋白具有更正的电位,这增强了卡宾中间体与烯烃的反应性,并表现出惰性烯烃(如脂肪族和内部烯烃)的优越环丙烷化作用。相比之下,用 FePc 工程化重组的肌红蛋白具有更负的氧化还原电位,这加速了中间体的形成,但对惰性烯烃的反应性较低。机理研究表明,与 FePor(CF) 重组的肌红蛋白生成具有自由基特征的不可检测的活性中间体。相比之下,由 FePc 重组的肌红蛋白催化的反应包括具有亲电性的可检测的铁-卡宾物种。这一发现强调了在血红蛋白中设计基于氧化还原的铁卟啉辅因子以调节卡宾转移反应的反应性的重要性。

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