Modelling of molybdopterin-dependent enzymes

Abstract: Popular Abstract in Swedish Molybden ingår som en viktig del i två typer av biologiska system - dels i nitrogenas, som fixerar kvävgas ur atmosfären, och dels i de enkärniga molybdenenzymerna. De senare är enzymer som innehåller endast en molybdenatom i sina aktiva säten. De enkärniga molybdenenzymerna finns i en mängd levande system, från bakterier till växter och djur och även i människan. Enzymerna katalyserar i allmänhet överföring av en syreatom till eller från ett biologiskt substrat. Motsvarande enkärniga volframenzymer finns i vissa typer av bakterier. Alla enkärniga molybden- och volframenzymer är beroende av samma organiska kofaktor för sin funktion. Denna kofaktor kallas molybdopterin. Vidare kan de enkärniga molybdenenzymerna indelas i tre familjer baserat på deras struktur och funktion. De har erhållit sina namn efter prototypiska medlemmar ur respektive familj - xantinoxidas, sulfitoxidas och dimetylsulfoxidreduktas. Föreliggande avhandling behandlar strukturella, funktionella och datorbaserade beräknings-modeller för molybdopterinberoende enzymer, framförallt de modeller som presenteras i de fem bilagda uppsatserna. Dessutom behandlas i introduktionskapitlet bakgrunden till modellstudierna och förekomsten av molybden och volfram i biologiska system. De första oorganiska molybden(VI)komplex som innehåller en cis-MoOS grupp, [MoOS(OSiPh3)2(L)] där L är en tvåtandad kväveligand, har syntetiserats som en modell för enzymer ur xantinoxidas-familjen, i vilken molybden i det aktiva sätet koordinerar en oxid och en svavelligand. Spektroskopiska studier med hjälp av 1H-NMR, IR, XAS och röntgenkristallografi visar att cis-MoOS-gruppen är intakt både i lösning och i fast fas. Reaktion mellan ett av dessa komplex och en god syreacceptor, trifenylfosfin, leder inte till en syreöverföringsreaktion utan till överföring av en svavelatom så att Ph3PS och [MoOCl(OSiPh3)2(Me4phen)] bildas. Två dioxovolfram(VI)komplex, [WO2(tBuL-NS)2] (tBuL-NS- = bis(4-tert-butylfenyl)-2-pyridylmetantiolat(1-)) och [WO2(tBuL-NO)2] (tBuL-NO- = bis(4-tert-butylfenyl)-2-pyridylmetanolat(1-)), har syntetiserats som modellföreningar för enkärniga volframenzymer. Föreningarna har karakteriserats spektroskopiskt och båda komplexens kristallstrukturer har bestämts. De båda komplexen är isostrukturella med sina motsvarande molybdenföreningar. Dioxomolybden(VI)föreningen som är analog till [WO2(tBuL-NS)2] kan reduceras av fosfiner till [MoO(tBuL-NS)2]. Detta molybden(IV)komplex kan i sin tur reducera biologiska syredonatorer och på detta sätt återbilda [MoO2(tBuL-NS)2]. Motsvarande syreöverföringsreaktioner har inte kunnat utföras med [WO2(tBuL-NS)2]. Detta skulle kunna förklaras av att den termodynamiska barriären för att reducera volfram(VI) till volfram(IV) är större än för att reducera molybden(VI) till molybden(IV). En dioxomolybden(VI)förening, [MoO2(L-O)]PF6, (L-OH = N-(2-hydroxybensyl)-N,N-bis(2-pyridylmetyl)amin) har syntetiserats som en funktionell modellförening för molybdenenzymer ur sulfitoxidas- och dimetylsulfoxidreduktas-familjerna. När [MoO2(L-O)]+ reagerar med fosfiner i metanol bildas motsvarande fosfinoxider och ett rött instabilt molybdenkomplex som förmodligen är en molybden(V)förening. Då denna molybdenförening får reagera med biologiska syredonatorer, t ex dimetylsulfoxid (DMSO) eller nitrat, reduceras dessa samtidigt som molybdenföreningen oxideras till [MoO2(L-O)]+. Vid alla försök att isolera det instabila molybdenkomplexet, liksom vid reaktioner mellan [MoO2(L-O)]+ och trifenylfosfin i andra lösningsmedel än metanol, bildas ett syrebryggat tvåkärnigt molybden(V)komplex, [(L-O)OMo(m-O)MoO(L-O)]2+. Teoretiska beräkningar av reaktionen mellan [MoO2(mnt)2]2- (mnt2- = 1,2-dicyano-etylen-1,2-ditiolat(2-)) och vätesulfit, grundade på den så kallade täthetsfunktionalitetsteorin, har utförts. De visar att reaktionen troligen sker via en direkt attack av svavelatomen i vätesulfit på en av syreliganderna i [MoO2(mnt)2]2- följt av en syreöverföringsreaktion kopplad med en oxidation av substratet till vätesulfat. Denna mekanism stämmer väl överens med föreslagna mekanismer för andra modellsystem och för sulfitoxidas självt. Motsvarande beräkningar har gjorts för reaktionen mellan [MoO(mnt)2]2- och trimetylamin N-oxid (Me3NO). Den föreslagna associativa reaktionsmekanismen innefattar bildning av ett intermediärt komplex där syreatomen i Me3NO är koordinerad till molybdenatomen. Vid det andra övergångstillståndet är en Mo-S bindning försvagad på grund av inverkan från den oxidligand, som finns koordinerad trans till svavelatomen. Reaktionen mellan DMSO och [Mo(OCH3)(mnt)2]- har också studerats med hjälp av teoretiska beräkningar. Metoxidliganden föreslås ha två fördelar i jämförelse med en direktkoordinerad oxidligand vid denna reaktion - dels kan den relativa energin mellan produkter ([MoO(OCH3)(mnt)2]- och DMS) och reaktanter sänkas, vilket gör reaktionen mer energetisk fördelaktig, dels möjliggörs en alternativ reaktionsmekanism, som har ett övergångstillstånd med en vriden trigonal-prismatisk geometri, snarare än den distorderade oktaedriska geometri som föreslås för övergångstillståndet i reaktionen mellan [MoO(mnt)2]2- och Me3NO. Denna funktion kan ha en motsvarighet i molybdenenzym i dimetylsulfoxidreduktas-familjen där en aminosyra (serin, cystein eller selenocystein) är koordinerad till molybdenatomen i det aktiva sätet.