Mechanistic Studies of an IspH‐Catalyzed Reaction: Implications for Substrate Binding and Protonation in the Biosynthesis of Isoprenoids

Abstract

Angriffspunkt erkannt: Mechanistische Studien der IspH‐katalysierten reduktiven Dehydroxylierung von 4‐Hydroxy‐3‐methyl‐2‐(E)‐1‐diphosphat (HMBPP) zu Isopentenyldiphosphat und Dimethylallyldiphosphat ergeben, dass sowohl die 4‐OH‐Gruppe als auch die Doppelbindung von HMBPP zur Bildung des Substrat‐IspH‐Komplexes beitragen können. Markierungsstudien sprechen der 4‐OH‐Gruppe des Substrats nun die Hauptrolle beim Positionieren im aktiven Zentrum des Enzyms zu.

Methylerythritol Phosphate Pathway of Isoprenoid Biosynthesis

“…In both models, the reaction is initiated by the coordination of HMBPP C 4 -OH to the [4Fe-4S] 2+ unique iron site ( 33 , Figure 6). This step is supported by extensive biochemical (93, 94, 97), Mössbauer (84–86), and crystallographical evidence (82, 95). In the Birch reduction model (66, 82, 84, 93–95), reduction of HMBPP ( 17 ) by the reduced [4Fe-4S] + cluster generates a radical anion intermediate ( 34 , Figure 6B), the formation of which triggers C 4 -dehydration to an allylic radical-[4Fe-4S] 2+ intermediate ( 35 ).…”

“…To assess the energetic contributions of various interactions in the active site during IspH catalysis and to gain insight into the catalytic mechanism of IspH, a series of substrate analogues were prepared as probes ( 41–47 , Table I) (97). The [4-F]-analog ( 41 ), which has a fluoro substituent at C 4 , can be processed by IspH to produce IPP and DMAPP in a ratio of 7:1 (94).…”

“…More recently, [5- 13 C]-3-(hydroxymethyl)but-3-en-1-yl diphosphate ( 43 , Table I) was designed to probe whether 43 shows any preference towards the two possible coordination modes ( 48 vs. 51 in Figure 6D) to the [4Fe-4S] 2+ cluster (97). If the C 4 -OH of 43 is the anchor ( 48 in Figure 6D), protonation mediated by pyrophosphate at C 4 of the allylic anion intermediate ( 49 ) would give [ 13 C]-IPP ( 50 ) as the product.…”

Current development in isoprenoid precursor biosynthesis and regulation

“…As revealed by a 1.7-Å resolution structure of the IspH-HMBPP complex, HMBPP indeed coordinates to the apical iron site of the [4Fe-4S] cluster using its C 4 -OH group [49]. Furthermore, studies using a substrate analog indicate that the HMBPP C 4 -OH plays the dominant role in positioning the substrate in IspH active site [50]. The HMBPP olefinic carbons are also positioned adjacent to apical iron site at a distance of 2.8–3.0 Å (Figure 4C, left panel).…”

Biometallorganische Chemie mit IspG und IspH: Struktur, Funktion und Hemmung der an der Isoprenoid‐Biosynthese beteiligten [Fe4S4]‐Proteine

“…c) Mçßbauer-Spektrum von IspH aus E. coli bei T = 77 K; [37] d) Mçß-bauer-Spektrum von IspH aus E. coli mit gebundem 4 bei T = 77 K. [37] Abdruck in veränderter Form mit Genehmigung aus Lit. [37] [48] und Ferraoxetan [21] -Modellen (siehe unten) für die IspH-Katalyse fehlt. Gewiss wird weitere Arbeit bençtigt, um die kinetischen Parameter dieser Zwischenstufe in der von der Wildtyp-IspH katalysierten Reaktion zu bestimmen, jedoch lassen Ergebnisse aus Docking-, EPR-und Rçntgen-Studien klar erkennen, dass diese kritische Rotation erfolgt, und zudem ist E126 eine geeignetere Protonenquelle verglichen mit T167, wie im Birch-Reduktions-Mechanismus vorgeschlagen.…”