Cyclohexanon-Monooxygenase

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Einführungen

Cyclohexanon-Monooxygenase ist eine flavinabhängige Monooxygenase mit einem extrem breiten Substratspektrum, die in der Lage ist, mehr als 100 verschiedene Reaktionen zu katalysieren, wie die Oxygenierung von Heteroatomen wie Stickstoff, Bor und Schwefel. Im Vergleich zu chemischen Katalysatoren kann die Cyclohexanon-Monooxygenase molekularen Sauerstoff direkt als Oxidationsmittel in der Katalyse verwenden und sie kann unter milderen Bedingungen eine hohe Stereoselektivität erreichen, weshalb sie heute ein unverzichtbares Werkzeugenzym in der organischen Synthese ist.

CHMO

Cyclohexanon-Monooxygenase (CHMO), die aus der Gattung Bacillus stammt, ist die erste CHMO mit Potenzial für die Synthese. Die Cyclohexanon-Monooxygenase hat eine Molekülmasse von etwa 60 kDa und ist in der Lage, mehr als 100 Substrate wie cyclische Ketone und Aldehyde zu katalysieren, mit einem sehr breiten Substratspektrum. Außerdem ist CHMO auch in der Lage, Heteroatome wie Sulfide, tertiäre Amine, Sulfite usw. zu katalysieren, mit einer sehr starken katalytischen Fähigkeit und Selektivität.

Klassifikationen

CHMO-Enzyme werden in drei Kategorien eingeteilt, je nach ihrer Abhängigkeit von Coenzymen. Typ I CHMO ist abhängig von Flavin und NADPH als Kofaktoren und gehört zu den Gruppe B Flavin-Monooxygenasen. Typ II CHMO ist abhängig von NADH und FAD und gehört zu den Klasse C Flavin-Monooxygenasen. Typ III CHMO ist atypische CHMO und gehört zu den Klasse A Flavin-Monooxygenasen. Unter ihnen gehört CHMO zur Klasse I CHMO, die von Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) und NADPH als Coenzyme abhängt. Diese Klasse von CHMO enthält zwei charakteristische Fingerabdrucksequenzen, "GXGXXG", die in zwei strukturellen Domänen konserviert sind und nicht-kovalente Bindungsstellen für die Coenzyme FAD und NADPH darstellen. CHMO enthält zwei strukturelle Domänen, die FAD-bindende Domäne und die NADPH-bindende Domäne. Mutationen von Aminosäuren in dieser Bindungsdomäne können ihre Coenzymabhängigkeit ändern. Die Mutation wichtiger Reste für die NADPH-Bindung durch Fraaije et al. änderte den Mutanten von NADPH-abhängig zu NADH-abhängig.

Katalytischer Mechanismus

Im Verlauf der enzymatischen Reaktion, die von CHMO katalysiert wird, reduziert das Coenzym NADPH zunächst FAD, um den reduzierten Zustand von FAD zu bilden, der dann von molekularem Sauerstoff oxidiert wird, um das C4α-Peroxyisocyanin-Intermediate zu bilden. Dieses Intermediate fungiert als nucleophiles Reagenz, das das Carbonylkohlenstoffatom des an die Substrat-Tasche gebundenen Substrats angreift und ein tetraedrisches "Criegee"-Intermediate bildet, gefolgt von einer molekularen Umordnung, bei der das Sauerstoffatom im Baeyer-Villiger-Reaktion auf das Substrat übertragen wird. Nach der Umordnung wird ein Molekül Wasser vom C4α-Peroxyisocyanin-Intermediate abgespalten und das FAD regeneriert, während NADP während der gesamten Reaktion an das C4α-Peroxyisocyanin-Intermediate gebunden bleibt, um die Stabilität des Intermediats aufrechtzuerhalten.

Biologische Funktion

CHMO ist ein bakterielles Flavoenzym, dessen Hauptfunktion in der Zelle darin besteht, die Umwandlung von Cyclohexanon, einem cyclischen Keton, in ε-Caprolacton zu katalysieren, was einen Schlüssel Schritt im Weg zur biologischen Abbaubarkeit von Cyclohexanol darstellt. Angesichts der mangelnden Spezifität von CHMO kann es jedoch allgemein verwendet werden, um Lactone aus einer Reihe von vier- bis sechsringförmigen Ketonen zu bilden, die dann in aliphatische Säuren hydrolysiert werden können. Darüber hinaus hat CHMO die Fähigkeit, aromatische Aldehyde und heteroatomhaltige Verbindungen – wie trivalentes Phosphor und Boronsäuren – zu oxygenieren, was es zu einem Kandidaten für die industrielle Nutzung macht.

Enzymmechanismus

Cyclohexanon-Monooxygenase (CHMO) verwendet NADPH und O₂ als Co-Substrate und FAD als Kofaktor, um ein Sauerstoffatom in das Substrat einzufügen. Der Prozess umfasst die Bildung eines Flavin-Peroxids und eines Criegee-Intermediats.