DFT study of nitroxygenase activity of manganese quercetin 2,3-dioxygenase

2,3-Dioksygenaza kwercetynowa (QDO) katalizuje rozcięcie heterocyklicznego pierścienia flawonolu kwercetyny poprzez włączenie do substratu cząsteczkowego tlenu i wydzielenie tlenku węgla. QDO B. subtilis jest aktywna w obecności różnych jonów metali w centrum aktywnym. Jednak tylko wariant zawierający Mn(II) posiada aktywność nitroksygenazową - zdolność utlenienia kwercetyny z wykorzystaniem nitroksylu (HNO). HNO jest przyłączany do substratu w ściśle określony sposób, tym samym obserwuje się tylko jeden produkt reakcji. Produkt nieenzymatycznej reakcji, ktora zachodzi w środowisku zasadowym, jest taki sam jak reakcji katalizowanej przez Mn-QDO. W pracy przedstawiono rezultaty obliczeń DFT z użyciem potecjału hybrydowego z poprawką dyspersyjną B3LYP-D3 mających na celu zbadanie aktywności nitroksygenazowej Mn-QDO i przebiegu reakcji nieenzymatycznej. Uzyskanewyniki wskazują, że przyczyną regiospecyficzności reakcji są właściwości elektronowe reagentów: atom azotu jest preferowanym celem ataku nukleofilowego kwercetyny.Dodatkowo przeanalizowano przebieg reakcji katalizowanej przez warianty QDO zawierające w centrum aktywnym Fe(II) i Co(II). Na tej podstawie można stwierdzić, że Fe- i Co-QDO, w przeciwieństwie do Mn-QDO, wiążą HNO przez atom azotu silniej niż przez atom tlenu, co hamuje postęp reakcji. Unikalna aktywność Mn-QDO wynika zatem ze słabego wiązania HNO na początkowym etapie reakcji.Quercetin 2,3-dioxygenase (QDO) oxidatively cleaves the central heterocycle ring of flavonol quercetin. During the process dioxygen is incorporated into the substrate and carbon monoxide is released. B. subtilis QDO is active with several transition metal ions. However, Mn(II) containing variant is the only one that exhibits nitroxygenase activity with nitroxyl (HNO) substituted for dioxygen. HNO is incorporatedinto quercetin in a specific manner, thus only one product of the reaction is observed. The nonenzymatic base-catalyzed reaction yields the same product as the Mn-QDO catalyzed reaction. The nitroxygenase activity of Mn-QDO and the nonenzymatic nitroxygenation reaction were investigated with use of hybrid density functional theory with dispersion correction (B3LYP-D3). The results suggest that the regiospecificity of the reaction stems from the intrinsic electronic features of the reactants, namely the N atom of HNO is the preferred site for nucleophilic attack by quercetin. Fe(II)- and Co(II)-containing active site models were also analysed.These variants exhibit a strong preference for N(H) coordination of nitroxyl, which inhibits the nitroxygenase activity. Consequently, Mn-QDO nitroxygenase activity can be attributed to weak binding of HNO to the cofactor ion