Litter-decay fungi have recently been shown to secrete heme-thiolate peroxygenases that oxidize various organic chemicals, but little is known about the physiological role or the mechanism of these enzymes. The aromatic peroxygenase of Agrocybe aegerita (AaeAPO) was purified and catalytically characterized. An overall reaction mechanism was proposed. The results show that AaeAPO catalyzed diverse H2O2-dependent monooxygenations (two-electron oxidations) including (a) the cleavage of aliphatic and aromatic ethers, (b) the regio- and enantioselective hydroxylation of aromatic compounds, (c) the stepwise oxygenation of benzylic compounds, (d) the N-dealkylation of secondary amines and (e) the dehalogenation of halogenated aliphatic compounds as well as typical peroxidase reactions (suggested to involve one-electron oxidation) such as (f) oxidation and polymerization of phenols and (g) halogenations. The enzyme failed to oxidize polymers such as polyethylene glycol (PEG).
Mechanistic studies with several model substrates provided information about the reaction cycle of AaeAPO: (1) stoichiometry of tetrahydrofuran cleavage showed that the reaction was a two-electron oxidation that generated one aldehyde group and one alcohol group, yielding the ring-opened product 4-hydroxybutanal, (2) steady-state kinetics results with methyl 3,4-dimethoxybenzyl ether, which was oxidized to 3,4-dimethoxybenzaldehyde, gave parallel double reciprocal plots suggestive of a ping-pong mechanism, (3) the cleavage of methyl 4-nitrobenzyl ether, the hydroxylation of aromatics such as diclofenac and nitrophenol and the oxygenation of benzylic compounds, resulted in incorporation of 18O into the reaction product in the presence of H218O2, and (4) the demethylation of 1-methoxy-4-trideuteromethoxybenzene showed an distinct observed intramolecular deuterium isotope effect. These results support a mechanism similar to that envisaged for the peroxygenase activity of P450s in which the enzyme heme is oxidized by H2O2 to give an iron species that carries one of the peroxide oxygen. This intermediate then abstracts a hydrogen from the substrate, which is followed by rebound of an •OH equivalent to produce the monooxygenated reaction product (hydrogen abstraction and oxygen rebound mechanism).
AaeAPO may accordingly have a role in the biodegradation of natural and anthropogenic low molecular weight compounds in soils and plant litter. Moreover, the results raise the possibility that fungal peroxygenases may be useful for versatile, cost-effective, and scalable syntheses of drug metabolites and herbicide precursors. / Die Peroxygenase des Südlichen Ackerling (Agrocybe aegerita, AaeAPO) wurde gereinigt, ihr Katalysepotential ermittelt und ein allgemeiner Reaktionsmechanismus postuliert. Die AaeAPO katalysiert sowohl H2O2-abhängige Monooxygenierungen (Zwei-Elektron Oxidationen) wie (a) die Spaltung aliphatischer und aromatischer Ether, (b) die regio- und enantioselektive Hydroxylierung von Aromaten, (c) die schrittweise Monooxygenierung von Toluolderivaten, (d) die N-Dealkylierung sekundärer Amine und (e) die Dehalogenierung chlorierter Aliphaten als auch typische Reaktionen bekannter Peroxidasen (vermutlich Ein-Elektron-Oxidation) unter anderem (f) die Oxidation/ Polymerisierung von Phenolen und (g) die Halogenierung von Aromaten. Polymere Verbindungen wie Polyethylenglycol (PEG) werden nicht oxidiert.
Mechanistische Untersuchungen zur Etherspaltung am Beispiel der AaeAPO haben Einblick in den generellen Reaktionsmechanismus dieses neuen Enzymtyps ermöglicht: (1) die Stöchiometrie der Spaltung von Tetrahydrofuran entspricht der einer zwei-Elektron-Oxidation, (2) die Spaltung von Methyl-3,4-Dimethoxybenzylether zu 4-Dimethoxybenzaldehyd und Methanol ergaben parallele Verläufe für die ermittelten Ausgleichsgeraden in der doppelt reziproken Darstellung, was einem „Ping-Pong“-Reaktionsmechanismus entspricht (3) die Monooxygenierungen haben stets den Einbau eines aus dem Peroxid (H2O2) stammenden Sauerstoffatoms in das Produkt zur Folge, (4) die O-Dealkylierung von 1-Methoxy-4-Trideuterummethoxybenzol zeigt einen ausgeprägten Deuterium Isotopen Effekt, was auf die primäre Abspaltung eines Wasserstoffatoms vom Substratmolekül hindeutet. Demnach verläuft die Peroxygenase-katalysierte Monooxygenierung über Wasserstoffabstraktion und eine unmittelbar anschließende Sauerstoffrückbindung (hydrogen abstraction - oxygen rebound mechanism). Diese Reaktionsabfolge ähnelt dem sogenannten peroxide "shunt" pathway, der von einer Reihe Cytochrom-P450-abhängiger Monooxygenasen her bekannt ist.
Die physiologische Funktion der AaeAPO besteht möglicherweise in der extrazellulären Transformation und Detoxifikation niedermolekularer Pflanzeninhaltsstoffe, mikrobieller Metabolite und anthropogener Xenobiotika. Aufgrund der Stabilität und Unabhängigkeit der AaeAPO von teuren Kofaktoren ergeben sich vielversprechende biotechnologische Möglichkeiten zum Einsatz isolierter Biokatalysatoren in selektiven (bio)chemischen Synthesen monooxygenierter Metabolite.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:926 |
| Date | 22 October 2010 |
| Creators | Kinne, Matthias |
| Contributors | Ullrich, René, Hofrichter, Martin, Hammel, Kenneth E., Scheibner, Katrin, Internationales Hochschulinstitut Zittau |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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