Cyclohexanon-Monooxygenase

Verwandte Lektüre

Einführung

Cyclohexanon-Monooxygenase ist eine flavinabhängige Monooxygenase mit einem außergewöhnlich breiten Substratspektrum, die in der Lage ist, mehr als 100 unterschiedliche Reaktionen zu katalysieren, darunter die Oxygenierung von Heteroatomen wie Stickstoff, Bor und Schwefel. Im Vergleich zu chemischen Katalysatoren kann die Cyclohexanon-Monooxygenase in der Katalyse molekularen Sauerstoff direkt als Oxidationsmittel nutzen und unter milderen Bedingungen eine hohe Stereoselektivität erzielen; damit ist sie heute ein unverzichtbares Enzymwerkzeug in der organischen Synthese.

CHMO

Cyclohexanon-Monooxygenase (CHMO), die aus der Gattung Bacillus stammt, ist die erste CHMO mit Synthesepotenzial. Cyclohexanon-Monooxygenase hat eine Molekülmasse von etwa 60 kDa und kann mehr als 100 Substrate wie cyclische Ketone und Aldehyde umsetzen, mit einem sehr breiten Substratspektrum. Darüber hinaus kann CHMO auch Heteroatome umsetzen, z. B. Sulfide, tertiäre Amine, Sulfite usw., und zeichnet sich durch eine sehr hohe katalytische Leistungsfähigkeit und Selektivität aus.

Klassifizierung

CHMO-Enzyme werden entsprechend ihrer Abhängigkeit von Coenzymen in drei Kategorien eingeteilt. Typ-I-CHMO ist von Flavin und NADPH als Cofaktoren abhängig und gehört zur Gruppe B der Flavin-Monooxygenasen. Typ-II-CHMO ist von NADH und FAD abhängig und gehört zur Klasse C der Flavin-Monooxygenasen. Typ-III-CHMO ist eine atypische CHMO und gehört zur Klasse A der Flavin-Monooxygenasen. CHMO gehört dabei zur Klasse der Typ-I-CHMO, die Flavinadenindinukleotid (FAD) und NADPH als Coenzyme benötigt. Diese CHMO-Klasse enthält zwei charakteristische Fingerprint-Sequenzen „GXGXXG“, die in zwei Strukturdomänen konserviert sind und jeweils nichtkovalente Bindungsstellen für die Coenzyme FAD bzw. NADPH darstellen. CHMO besitzt zwei Strukturdomänen: eine FAD-Bindungsdomäne und eine NADPH-Bindungsdomäne. Mutationen von Aminosäuren in dieser Bindungsdomäne können die Coenzymabhängigkeit verändern. Die Mutation wichtiger Residuen für die NADPH-Bindung durch Fraaije et al. wandelte den Mutanten von NADPH-abhängig zu NADH-abhängig.

Katalytischer Mechanismus

Im Verlauf der durch CHMO katalysierten enzymatischen Reaktion reduziert das Coenzym NADPH zunächst FAD und bildet die reduzierte Form von FAD, die durch molekularen Sauerstoff oxidiert wird und dabei das C4α-Peroxyisoalloxazin-Intermediat bildet. Dieses Intermediat wirkt als nukleophiles Reagenz und greift das Carbonyl-Kohlenstoffatom des im Substrattaschenbereich gebundenen Substrats an, wodurch ein tetraedrisches „Criegee“-Intermediat entsteht; anschließend erfolgt eine molekulare Umlagerung, bei der im Rahmen der Baeyer-Villiger-Reaktion das Sauerstoffatom auf das Substrat übertragen wird. Nach der Umlagerung wird aus dem C4α-Peroxyisoalloxazin-Intermediat ein Wassermolekül abgespalten und FAD regeneriert; NADP ist während der gesamten Reaktion an das C4α-Peroxyisoalloxazin-Intermediat gebunden, um dessen Stabilität aufrechtzuerhalten.

Biologische Funktion

CHMO ist ein bakterielles Flavoenzym, dessen Hauptfunktion in der Zelle darin besteht, die Umwandlung von Cyclohexanon, einem cyclischen Keton, zu ε-Caprolacton zu katalysieren – ein Schlüsselschritt im Abbauweg für die biologische Degradation von Cyclohexanol. Aufgrund der geringen Spezifität von CHMO kann es jedoch allgemein zur Bildung von Lactonen aus einer Reihe vier- bis sechsgliedriger cyclischer Ketone eingesetzt werden, die anschließend zu aliphatischen Säuren hydrolysiert werden können. Darüber hinaus besitzt CHMO die Fähigkeit, aromatische Aldehyde sowie heteroatomhaltige Verbindungen – wie dreiwertigen Phosphor und Boronsäuren – zu oxygenieren, was es zu einem Kandidaten für industrielle Anwendungen macht.

Enzymmechanismus

Cyclohexanon-Monooxygenase (CHMO) nutzt NADPH und O₂ als Cosubstrate sowie FAD als Cofaktor, um ein Sauerstoffatom in das Substrat einzuführen. Der Prozess umfasst die Bildung eines Flavin-Peroxids sowie eines Criegee-Intermediats.