Окисление Mn(II) мультикупровым оксидазным комплексом Mnx: биядерный механизм активации

Бактериальный белковый комплекс Mnx содержит мультикупровую оксидазу (MCO) MnxG, которая, что необычно, катализирует двухэлектронное окисление Mn(II) до биоминерала MnO2 через промежуточный продукт Mn(III). Хотя ожидается, что окислительно-восстановительные потенциалы пар Mn(III)/Mn(II) и Mn(IV)/Mn(III) будут высокими, для Cu2+ типа 1 MnxG, являющегося акцептором электронов, мы обнаружили низкий потенциал восстановления — 0,38 В (относительно нормального водородного электрода, pH 7,8). Действительно, Cu2+ типа 1 не восстанавливается Mn(II) в отсутствие молекулярного кислорода, что указывает на необходимость стадии активации для окисления субстрата. Механизм действия фермента исследовали методом электронной абсорбционной спектроскопии с использованием хемометрического анализа для разделения ферментативного образования MnO2 и старения наночастиц MnO2. Кинетическая кривая старения наночастиц характерна для нуклеации и роста частиц; скорости этих процессов имели ожидаемую зависимость от концентрации Mn(II) и температуры, но различались по оптимуму pH. Ферментативная кинетическая кривая имеет сигмоидальную форму, что указывает на наличие стадии активации перед каталитическим оборотом. Зависимость предшествующей лаг-фазы от концентрации Mn(II) и pH свидетельствует о слабом связывании Mn(II). Стадия активации обеспечивается депротонированием с pKa > 8,6, которое относят к молекуле H2O, связанной с Mn(II); оно вызывает конформационное изменение, согласующееся с высокой энергией активации (106 кДж/моль), и повышает сродство к Mn(II). Предполагается, что активация Mnx снижает потенциал восстановления пары Mn(III)/Mn(II) ниже потенциала пары Cu(II/I) типа 1 за счёт образования в участке связывания субстрата биядерного комплекса Mn(II)(μ-OH)Mn(II), соединённого гидроксидным мостиком. Установлено, что каталитический оборот кооперативно зависит от двух ионов Mn(II) и обеспечивается двойным депротонированием с pKa 7,6. Предполагается, что в ходе оборота образуется промежуточный продукт Mn(III)(μ-OH)2Mn(III), который превращается в ферментативный продукт, вероятно Mn(IV)(μ-O)2Mn(IV) или олигомер, инициирующий последующую нуклеацию наночастиц MnO2. Мы заключаем, что Mnx использует полиядерную химию марганца для облегчения в противном случае затруднённого диф...