(De)carboxylation mechanisms of heteroaromatic substrates catalyzed by prenylated FMN-dependent UbiD decarboxylases: An in-silico study

羧化 化学 脱羧 黄素单核苷酸 黄素组 基质(水族馆) 酶催化 立体化学 催化作用 有机化学 海洋学 地质学
作者
Ke Wen,Yu Tao,Wenyan Jiang,Liyan Jiang,Jianxun Zhu,Quanshun Li
出处
期刊:International Journal of Biological Macromolecules [Elsevier]
卷期号:260: 129294-129294
标识
DOI:10.1016/j.ijbiomac.2024.129294
摘要

The UbiD enzymes are proposed to catalyze reversible (de)carboxylation reaction of unsaturated carboxylic acids using prenylated flavin mononucleotide (prFMN) as a cofactor. This positions UbiD enzymes as promising candidates for converting CO2 into valuable chemicals. However, their industrial-scale biotransformation is currently constrained by low conversion rates attributed to thermodynamic limitations. To enhance the carboxylation activity of UbiD enzymes, a molecular-level understanding of the (de)carboxylation mechanisms is necessary. In this study, we investigated the reaction mechanisms of heteroaromatic substrates catalyzed by PtHmfF, PaHudA, and AnlnD enzymes using molecular dynamics (MD) simulations and free energy calculations. Our extensive mechanistic study elucidates the mechanisms involved in the formation of the initial prFMN-substrate intermediate. Specifically, we observed nucleophilic attack during decarboxylation, while carboxylation reactions involving furoic acid, pyrrole, and indole tend to favor a 1,3-dipolar cycloaddition mechanism. Furthermore, we identified proton transfer as the rate-limiting step in the carboxylation reaction. In addition, we considered the perspectives of reaction energies and electron transfer to understand the distinct mechanisms underlying decarboxylation and carboxylation. Our calculated free energies are consistent with available experimental kinetics data. Finally, we explored how different rotamers of catalytic residues influence the efficiency of the initial intermediate formation.
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