Cytochrome P450-catalyzed oxidation of halogen-containing substrates

化学 羟基化 苯甲酸 活动站点 基质(水族馆) 立体化学 催化作用 卤素 血红素 细胞色素 单加氧酶 细胞色素P450 药物化学 有机化学 海洋学 烷基 地质学
作者
Tom Coleman,Matthew N. Podgorski,Maya L. Doyle,Jarred M. Scaffidi-Muta,E.C. Campbell,John B. Bruning,James J. De Voss,Stephen G. Bell
出处
期刊:Journal of Inorganic Biochemistry [Elsevier BV]
卷期号:244: 112234-112234 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.jinorgbio.2023.112234
摘要

Cytochrome P450 (CYP) enzymes are heme-thiolate monooxygenases which catalyze the oxidation of aliphatic and aromatic C-H bonds and other reactions. The oxidation of halogens by cytochrome P450 enzymes has also been reported. Here we use CYP199A4, from the bacterium Rhodopseudomonas palustris strain HaA2, with a range of para-substituted benzoic acid ligands, which contain halogens, to assess if this enzyme can oxidize these species or if the presence of these electronegative atoms can alter the outcome of P450-catalyzed reactions. Despite binding to the enzyme, there was no detectable oxidation of any of the 4-halobenzoic acids. CYP199A4 was, however, able to efficiently catalyze the oxidation of both 4-chloromethyl- and 4-bromomethyl-benzoic acid to 4-formylbenzoic acid via hydroxylation of the α‑carbon. The 4-chloromethyl substrate bound in the enzyme active site in a similar manner to 4-ethylbenzoic acid. This places the benzylic α‑carbon hydrogens in an unfavorable position for abstraction indicating a degree of substrate mobility must be possible within the active site. CYP199A4 catalyzed oxidations of 4-(2'-haloethyl)benzoic acids yielding α-hydroxylation and desaturation metabolites. The α-hydroxylation product was the major metabolite. The desaturation pathway is significantly disfavored compared to 4-ethylbenzoic acid. This may be due to the electron-withdrawing halogen atom or a different positioning of the substrate within the active site. The latter was demonstrated by the X-ray crystal structures of CYP199A4 with these substrates. Overall, the presence of a halogen atom positioned close to the heme iron can alter the binding orientation and outcomes of enzyme-catalyzed oxidation.
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