Unspecific peroxygenase (EC 1.11.2.1) represents a group of secreted hemethiolate proteins that are capable of catalyzing the selective mono-oxygenation of diverse organic compounds using only H2O2 as a cosubstrate. In this study, the peroxygenase from Agrocybe aegerita (AaeUPO) was found to catalyze the hydroxylation of various linear (e.g n-hexane), branched (e.g. 2,3-dimethylbutane) and cyclic alkanes (e.g. cyclohexane). The size of n-alkane substrates converted by AaeUPO ranged from gaseous propane (C3) to n-hexadecane (C16). They were mono-hydroxylated mainly at the C2 and C3 position, rather than at the terminal carbon, and the corresponding ketones were formed as a result of overoxidation. In addition, a number of alkenes were epoxidized by AaeUPO, including linear terminal (e.g. 1-heptene), branched (2-methyl-2-butene) and cyclic alkenes (e.g. cyclopentene), as well as linear and cyclic dienes (buta-1,3-diene, cyclohexa-1,4-diene).
Furthermore, the conversion of terminal alkynes (e.g. 1- octyne) gave the corresponding 1-alkyn-3-ol in low yield. Some of the reactions proceeded with complete regioselectivity and - in the case of linear alkanes, terminal linear alkenes and alkynes - with moderate to high stereoselectivity. The conversion of n-octane gave (R)-3-octanol with 99% enantiomeric excess (ee) and the preponderance of the (S)-enantiomer reached up to 72% ee of the epoxide product for the conversion of 1-heptene. Catalytic efficiencies (kcat/ Km) determined for the hydroxylation and respectively epoxidation of the model compounds cyclohexane and 2-methyl-2-butene were 2.0 × 103 M-1 s-1 and 2.5 × 105 M−1 s−1.
The results obtained in the deuterium isotope effect experiment with semideuterated n-hexane and the radical clock experiment with norcarane clearly demonstrated that the hydroxylation of alkanes proceeds via hydrogen abstraction, the formation of a substrate radical and a subsequent oxygen rebound mechanism. Moreover, stopped-flow experiments and substrate kinetics proved the involvement of a porphyrin radical cation species (compound I; AaeUPO-I) as reactive intermediate in the catalytic cycle of AaeUPO, similar to other hemethiolate enzymes (e.g. cytochrome P450 monooxygenases, P450s). / Die Gruppe der Unspezifischen Peroxygenasen (EC 1.11.2.1) umfasst extrazelluläre Häm-Thiolat-Enzyme, die mittels H2O2 als Cosubstrat die selektive Monooxygenierung unterschiedlicher organischer Verbindungen katalysieren. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die von Agrocybe aegerita sekretierte Peroxygenase (AaeUPO) verschiedene lineare (z. B. n-Hexan), verzweigte (z. B. 2,3-Dimethylbutan) und zyklische Alkane (z. B. Cyclohexan) hydroxyliert. Die Größe der von der AaeUPO umgesetzten Substrate reichte vom gasförmigen Propan (C3) bis hin zu n-Hexadekan (C16). Die Alkane wurden bevorzugt am zweiten und dritten Kohlenstoffatom (C2 und C3) hydroxyliert; eine Hydroxylierung am terminalen Kohlenstoff konnte nur vereinzelt und in geringem Umfang beobachtet werden. Die Überoxidationen der primär gebildeten, sekundären Alkohole führte außerdem zur Entstehung der entsprechenden Ketonderivate. Darüber hinaus wurde eine Vielzahl linearer terminaler (z. B. 1-Hepten), verzweigter (z. B. 2-Methyl-2-Buten) und zyklischer Alkene (z. B. Cyclopenten) sowie linearer und zyklischer Diene (1,3-Butadien, 1,4-Cyclohexadien) durch die AaeUPO epoxidiert.
Die Umsetzung terminaler Alkine (z. B. 1-Octin) führte zur Entstehung der jeweiligen 1-Alkin-3-ole. Manche dieser Reaktionen verliefen ausgeprägt regioselektiv und, im Falle der linearen Alkane sowie der linearen terminalen Alkene und Alkine, mit mittlerer bis hoher Stereoselektivität. So ergab beispielsweise die Umsetzung von n-Octan einen Enantiomerenüberschuss größer 99% für (R)-3-Octanol; die Epoxidierung von 1-Hepten lieferte einen Enatiomeerenüberschuss (ee) von bis zu 72% für das (S)-Enantiomer. Die katalytischen Effizienzen, die für die Hydroxylierung bzw. Epoxidierung der Modellverbindungen Cyclohexan und 2-Methyl-2-Buten ermittelt wurden, betragen 2.0 × 103 M-1 s-1 und 2.5 × 105 M−1 s−1.
Der ausgeprägte Deuterium-Isotopen-Effekt, der im Zuge der Umsetzung von semideuteriertem n-Hexan beobachtet wurde sowie die Ergebnisse des Radical-Clock-Experiments mit Norcarane als Substrat bestätigten, dass die Hydroxylierung von Alkanen über Wasserstoffabstraktion, die Bildung eines Substratradikals und anschließende direkte Sauerstoffrückbindung verläuft. Die Stopped-Flow-Experimente belegen zudem das Auftreten eines Porphyrin-Kationradikal-Intermediates (Compound I; AaeUPO-I) im katalytischen Zyklus der AaeUPO (vergleichbar mit dem reaktiven Intermediat der P450-Monooxygenasen).
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa.de:bsz:14-qucosa-113321 |
| Date | 24 June 2013 |
| Creators | Peter, Sebastian |
| Contributors | Technische Universität Dresden, Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften, IHI Zittau - Zentrale Einrichtung der TU Dresden, Department für Bio- und Umweltwissenschaften, Prof. Dr. Martin Hofrichter, Prof. Dr. Martin Hofrichter, Prof. Dr. John T. Groves, Prof. Dr. Katrin Scheibner |
| Publisher | Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
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