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Comparison of a Nonheme Iron Cyclopropanase with a Homologous Hydroxylase Reveals Mechanistic Features Associated with Distinct Reaction Outcomes

化学 羟基化 立体化学 环丙烷化 基质(水族馆) 氢原子萃取 活动站点 部分 分子内力 反应中间体 反应机理 催化作用 激进的 生物化学 地质学 海洋学
作者
Yu‐Cong Zheng,Xiaojun Li,Lide Cha,Jared C. Paris,Charalambos Michael,Richiro Ushimaru,Yasushi Ogasawara,Ikuro Abe,Yisong Guo,Wei‐chen Chang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (7): 6162-6170 被引量:13
标识
DOI:10.1021/jacs.4c17741
摘要

Despite the diversity of reactions catalyzed by mononuclear iron and 2-oxoglutarate-dependent enzymes, the factors that lead to diverse reaction outcomes beyond canonical hydroxylation remain elusive. Cyclopropanation reactions are of particular interest not only due to the prevalence of cyclopropane moieties in pharmaceuticals but also due to the chemistry that allows cyclopropanation to outcompete oxygen rebound. HrmJ is one such cyclopropanase from the biosynthetic pathway of hormaomycin; however, a homologue is herein discovered that instead catalyzes C -hydroxylation of the same nitro enolate substrate. These enzymes were reconstituted with Mn(II) and V(IV)═O as mimics of the resting (Fe(II)) and reactive (Fe(IV)═O) intermediate states, respectively. Corresponding crystal structures of the cyclopropanase bound with a substrate imply H atom transfer via an offline π-pathway. In contrast, analogous structural analysis of the hydroxylase implies H atom abstraction likely proceeds through a σ-pathway. Preparation of isotopically labeled substrates and stopped-flow kinetic analyses indicate that while the pro-S hydrogen of C4 is abstracted in both enzymes, the Fe(IV)═O intermediate reacts ca. 17-fold faster in the active site of the hydroxylase, consistent with the mechanistic assignments. These results also support a correlation between the mechanism of H atom transfer and the subsequent fate of the substrate radical once generated. A subtle difference in substrate positioning not only affects the H atom abstraction pathway but also allows the nitro enolate moiety to intercept the resulting substrate radical in the active site of the cyclopropase, thereby facilitating intramolecular C–C bond formation in a stereoselective manner.
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