ラッフルはPCETを促進してコプロヘム脱炭酸を促進する：ChdCの理論的研究

Ruffling drives coproheme decarboxylation by facilitating PCET: a theoretical investigation of ChdC.

• Ying Zhang
• Junkai Wang
• Chang Yuan
• Wei Liu
• Hongwei Tan
• Xichen Li
• Guangju Chen

抄録

コプロヘム脱炭酸酵素（ChdC）は、コプロポルフィリン依存性ヘム合成経路に不可欠な酵素であり、過酸化水素の作用下でp2とp4の位置でコプロヘムの酸化的脱炭酸を触媒してヘムbを生成する。ChdCの触媒機構の不思議な特徴は、2つの脱炭酸部位の両方が、過酸化水素と結合するコプロヘムの鉄中心から離れた位置にあることです。密度汎関数理論計算を用いて、ChdCのコプロヘム脱炭酸機構を詳細に調べた。その結果、触媒反応の第一段階では、p2プロピオン酸近傍のチロシン(Tyr145)のプロトン結合電子移動反応と相乗的にH2O2のホモリシスが起こることが明らかになった。生成された反応性のTyrラジカルは、その後、19.16 kcal mol-1のエネルギー障壁を持つ反応全体の速度制限ステップであるp2プロピオン酸側鎖のβ炭素から水素原子を抽象化します。最後に、コプロポルフィリンの分子内電子・プロトン転位により、p2プロピオン酸の脱炭酸が達成される。私たちの研究により、ChdCにおけるコプロヘムのラッフル構造が脱炭酸反応を促進する重要な構造因子であることが明らかになりました。また、コプロヘム環の下にある水素結合鎖が、Tyr145のPCET過程を制御する役割を果たしていることを明らかにした。さらに、分子動力学シミュレーションにより、Lys149がハードロヘムIIIを安定化させ、第2の脱炭酸部位p4の脱炭酸反応において、触媒的なTyr145部位への位置決めを行う役割を担っていることを発見しました。

Coproheme decarboxylase (ChdC) is an essential enzyme in the coproporphyrin-dependent heme synthesis pathway, which catalyzes oxidative decarboxylation of coproheme at the positions p2 and p4 to generate heme b under the action of hydrogen peroxide. A mysterious characteristic of catalytic mechanism of ChdC is that both of the two decarboxylation sites are located remotely from the iron center of coproheme, which binds with hydrogen peroxide. By using density functional theory calculations, we have studied the coproheme decarboxylation mechanism of ChdC in detail. The calculation results show that in the first step of the catalytic reaction, H2O2 homolysis takes place synergistically with the proton coupled electron transfer process of a tyrosine (Tyr145) residing near p2 propionate. The produced reactive Tyr radical then abstracts a hydrogen atom from the β carbon of the p2 propionate side chain, which is the rate-limiting step of the whole reaction with a 19.16 kcal mol-1 energy barrier. Finally, through intramolecular electron and proton rearrangement of coproporphyrin, decarboxylation of p2 propionate is accomplished. Our study revealed that the ruffled conformation of coproheme in ChdC is an important structural factor, which facilitates the decarboxylation reaction. We also found that the hydrogen bond chain located below the coproheme ring plays a role to regulate the PCET process of Tyr145. In addition, molecular dynamics simulations discovered that Lys149 is responsible for stabilizing the harderoheme III and positioning the second decarboxylation site p4 to the catalytic Tyr145 site in the decarboxylation reaction of the p4 site.