Modelling of molybdopterin-dependent enzymes

Thapper, Anders

Modelling of molybdopterin-dependent enzymes

Mark

Thapper, Anders ^LU (2001)

Abstract: The thesis deals with models for molybdopterin-dependent enzymes. Several model systems containing molybdenum or tungsten have been prepared and characterised, and their reactivity with oxygen atom acceptors and donors have been investigated. Oxygen atom transfer reactions involving oxomolybdenum bis-dithiolene complexes have been modelled using density functional calculations.

The first molybdenum(VI) complexes containing unperturbed cis-MoOS moieties, [MoOS(OSiPh3)2(L)] where L is bidentate nitrogen ligand, have been prepared as models for the xanthine oxidase family of mononuclear molybdenum enzymes. Spectroscopic measurements... (More); The thesis deals with models for molybdopterin-dependent enzymes. Several model systems containing molybdenum or tungsten have been prepared and characterised, and their reactivity with oxygen atom acceptors and donors have been investigated. Oxygen atom transfer reactions involving oxomolybdenum bis-dithiolene complexes have been modelled using density functional calculations.

The first molybdenum(VI) complexes containing unperturbed cis-MoOS moieties, [MoOS(OSiPh3)2(L)] where L is bidentate nitrogen ligand, have been prepared as models for the xanthine oxidase family of mononuclear molybdenum enzymes. Spectroscopic measurements (1H-NMR, IR, XAS, and X-ray crystallography) confirm the integrity of the cis-MoOS moiety both in solution and in the solid state. When [MoOS(OSiPh3)2(Me4phen)] is reacted with PPh3, a good oxo acceptor, the complex does not undergo oxygen atom transfer but instead sulfur atom transfer to form Ph3PS and [MoVOCl(OSiPh3)2(Me4phen)].

Two dioxotungsten(VI) complexes, [WO2(tBuL-NS)2] (tBuL-NS- = bis(4-tert-butylphenyl)-2-pyridylmethanethiolate(1-)) and [WO2(tBuL-NO)2] (tBuL-NO- = bis(4-tert-butylphenyl)-2-pyridylmethanolate(1-)) have been prepared as models for mononuclear tungsten enzymes. They have been spectroscopically and structurally characterised. The dioxomolybdenum(VI) analogue of [WO2(tBuL-NS)2] can be reduced to a mono-oxomolybdenum(IV) complex by phosphines and the molybdenum(IV) complex can reduce a range of oxygen atom donors. In contrast [WO2(tBuL-NS)2] does not undergo the corresponding oxygen atom transfer chemistry with phoshines, which may be attributed to a larger thermodymic barrier for reduction of tungsten(VI) compared to molybdenum(VI).

A dioxomolybdenum(VI) complex, [MoO2(L-O)]PF6 (L-OH = N-(2-hydroxybenzyl)-N,N-bis(2-pyridylmethyl)amine) has been synthesised as a functional model for molybdenum oxotransferases. When the complex is reacted with phosphines in methanol, phosphine oxides are formed together with a red, air-sensitive, molybdenum complex. The identity of the red complex is not established but it is proposed to be a Mo(V) complex. The red molybdenum complex can be oxidised to [MoO2(L-O)]+ by addition of oxygen atom donors such as DMSO or nitrate, thereby mimicking the activity of molybdenum oxotransferases. Attempts at isolating the red complex leads to the formation of a dark purple m-oxo-bridged Mo(V) dimer, [(L-O)OMo(m-O)MoO(L-O)]2+.

Computer modelling of the reaction of [MoO2(mnt)2]2- (mnt2- = 1,2-dicyano-ethylene-1,2-dithiolate(2-)) with hydrogen sulfite shows that the reaction mechanism is likely to involve a direct attack of the sulfur lone pair on one of the oxo ligands. The reaction proceeds via an oxygen atom transfer reaction where the substrate is oxidised to hydrogen sulfate, this is in good agreement with proposed mechanisms from other model systems and with the proposed mechanism for sulfite oxidase itself.

Density functional modelling of the reduction of Me3NO by [MoO(mnt)2]2- shows that the reaction proceeds via an intermediate containing coordinated Me3NO to formation of the products, [MoO2(mnt)2]2- and NMe3. In the final transition state, one of the Mo-S bonds of one mnt ligand is elongated due to the trans influence of the spectator oxo ligand. Modelling of the reduction of DMSO by [Mo(OCH3)(mnt)2]- shows that the methoxy group may be beneficial for the reaction in two ways: i) by lowering the energy of the products ([MoO(OCH3)(mnt)2]- and DMS) relative to the reactants, and ii) by offering an alternative reaction pathway with a twisted trigonal prismatic geometry in the transition state. This finding may have implications for the enzymes in the DMSO reductase family of mononuclear molybdenum enzymes where an amino acid residue (serine, cysteine or seleneocysteine) is found in the active site. (Less)
Abstract (Swedish): 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... (More); 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. (Less)

Please use this url to cite or link to this publication: https://lup.lub.lu.se/record/41663

author

Thapper, Anders ^LU

supervisor

Ebbe Nordlander ^LU

opponent

Prof Garner, C. D., Nottingham, England

organization

Department of Chemistry

publishing date

2001

type

Thesis

publication status

published

subject

Inorganic Chemistry

keywords

Inorganic chemistry, enzymes, transition state, intermediate, mechanism, molybdopterin, density functional theory, model systems, oxygen atom transfer, molybdenum, tungsten, Oorganisk kemi, Chemistry, Kemi

pages

142 pages

publisher

Anders Thapper, Inorganic Chemistry 1, Chemical Center, Lund University

defense location

Lecture hall D, Chemical Center

defense date

2001-05-18 10:15:00

external identifiers

other:ISRN: LUN KDL/NKOO--01/1034--SE

ISBN

91-628-4800-3

language

English

LU publication?

yes

additional info

Article: The Unperturbed Oxo-Sulfido Functional Group cis-MoVIOS Related to That in the Xanthine Oxidase Family of Molybdoenzymes: Synthesis, Structural Characterization, and Reactivity AspectsThapper, A.; Donahue, J. P.; Musgrave, K. B.; Willer, M. W.; Nordlander, E.; Hedman, B.; Hodgson, K. O.; Holm, R. H.Inorg. Chem. 1999, 38, 4104 Article: Synthesis and Structural Characterization of Two Tungsten(VI) Dioxo Complexes With N,O- and N,S-Coordinating LigandsThapper, A.; Balmes, O.; Lorber, C.; Svensson, P. H.; Holm, R. H.; Nordlander, E.Accepted for publication in Inorg. Chim. Acta Article: Synthesis, Characterization and Reactivity Studies of a Functional Model for Molybdenum OxotransferasesThapper, A.; Fryxelius, J.; Johansson, M. H.; Prestopino, F., Behrens, A.; Nordlander, E.Manuscript Article: Computer Modelling of the Oxygen-atom Transfer Reaction between Hydrogen Sulfite and a Molybdenum(VI) Dioxo Complex.Thapper A.; Deeth, R. J.; Nordlander. E.Inorg. Chem. 1999, 38, 1015 Article: A Density Functional Study of Oxygen Atom Transfer Reactions Between Biological Oxygen Atom Donors and Molybdenum(IV) bis-Dithiolene ComplexesThapper, A.; Deeth, R. J.; Nordlander, E.Submitted to Inorg. Chem. The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Inorganic chemistry (ceased) (LUR000010)

id

89250f08-e5d6-453d-a976-e2c310100505 (old id 41663)

date added to LUP

2016-04-04 11:31:35

date last changed

2018-11-21 21:05:26

@phdthesis{89250f08-e5d6-453d-a976-e2c310100505,
  abstract     = {{The thesis deals with models for molybdopterin-dependent enzymes. Several model systems containing molybdenum or tungsten have been prepared and characterised, and their reactivity with oxygen atom acceptors and donors have been investigated. Oxygen atom transfer reactions involving oxomolybdenum bis-dithiolene complexes have been modelled using density functional calculations.<br/><br>
<br/><br>
The first molybdenum(VI) complexes containing unperturbed &lt;i&gt;cis&lt;/i&gt;-MoOS moieties, [MoOS(OSiPh&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;)&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;(L)] where L is bidentate nitrogen ligand, have been prepared as models for the xanthine oxidase family of mononuclear molybdenum enzymes. Spectroscopic measurements (&lt;sup&gt;1&lt;/sup&gt;H-NMR, IR, XAS, and X-ray crystallography) confirm the integrity of the &lt;i&gt;cis&lt;/i&gt;-MoOS moiety both in solution and in the solid state. When [MoOS(OSiPh&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;)&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;(Me&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;phen)] is reacted with PPh&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;, a good oxo acceptor, the complex does not undergo oxygen atom transfer but instead sulfur atom transfer to form Ph&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;PS and [Mo&lt;sup&gt;V&lt;/sup&gt;OCl(OSiPh&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;)&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;(Me&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;phen)].<br/><br>
<br/><br>
Two dioxotungsten(VI) complexes, [WO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;(&lt;sup&gt;t&lt;/sup&gt;BuL-NS)&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;] (&lt;sup&gt;t&lt;/sup&gt;BuL-NS&lt;sup&gt;-&lt;/sup&gt; = bis(4-tert-butylphenyl)-2-pyridylmethanethiolate(1-)) and [WO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;(&lt;sup&gt;t&lt;/sup&gt;BuL-NO)&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;] (&lt;sup&gt;t&lt;/sup&gt;BuL-NO&lt;sup&gt;-&lt;/sup&gt; = bis(4-tert-butylphenyl)-2-pyridylmethanolate(1-)) have been prepared as models for mononuclear tungsten enzymes. They have been spectroscopically and structurally characterised. The dioxomolybdenum(VI) analogue of [WO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;(&lt;sup&gt;t&lt;/sup&gt;BuL-NS)&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;] can be reduced to a mono-oxomolybdenum(IV) complex by phosphines and the molybdenum(IV) complex can reduce a range of oxygen atom donors. In contrast [WO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;(&lt;sup&gt;t&lt;/sup&gt;BuL-NS)&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;] does not undergo the corresponding oxygen atom transfer chemistry with phoshines, which may be attributed to a larger thermodymic barrier for reduction of tungsten(VI) compared to molybdenum(VI).<br/><br>
<br/><br>
A dioxomolybdenum(VI) complex, [MoO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;(L-O)]PF&lt;sub&gt;6&lt;/sub&gt; (L-OH = N-(2-hydroxybenzyl)-N,N-bis(2-pyridylmethyl)amine) has been synthesised as a functional model for molybdenum oxotransferases. When the complex is reacted with phosphines in methanol, phosphine oxides are formed together with a red, air-sensitive, molybdenum complex. The identity of the red complex is not established but it is proposed to be a Mo(V) complex. The red molybdenum complex can be oxidised to [MoO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;(L-O)]&lt;sup&gt;+&lt;/sup&gt; by addition of oxygen atom donors such as DMSO or nitrate, thereby mimicking the activity of molybdenum oxotransferases. Attempts at isolating the red complex leads to the formation of a dark purple m-oxo-bridged Mo(V) dimer, [(L-O)OMo(m-O)MoO(L-O)]&lt;sup&gt;2+&lt;/sup&gt;.<br/><br>
<br/><br>
Computer modelling of the reaction of [MoO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;(mnt)&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;]&lt;sup&gt;2-&lt;/sup&gt; (mnt&lt;sup&gt;2-&lt;/sup&gt; = 1,2-dicyano-ethylene-1,2-dithiolate(2-)) with hydrogen sulfite shows that the reaction mechanism is likely to involve a direct attack of the sulfur lone pair on one of the oxo ligands. The reaction proceeds &lt;i&gt;via&lt;/i&gt; an oxygen atom transfer reaction where the substrate is oxidised to hydrogen sulfate, this is in good agreement with proposed mechanisms from other model systems and with the proposed mechanism for sulfite oxidase itself.<br/><br>
<br/><br>
Density functional modelling of the reduction of Me&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;NO by [MoO(mnt)&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;]&lt;sup&gt;2-&lt;/sup&gt; shows that the reaction proceeds via an intermediate containing coordinated Me&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;NO to formation of the products, [MoO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;(mnt)&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;]&lt;sup&gt;2-&lt;/sup&gt; and NMe&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;. In the final transition state, one of the Mo-S bonds of one mnt ligand is elongated due to the trans influence of the spectator oxo ligand. Modelling of the reduction of DMSO by [Mo(OCH&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;)(mnt)&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;]&lt;sup&gt;-&lt;/sup&gt; shows that the methoxy group may be beneficial for the reaction in two ways: i) by lowering the energy of the products ([MoO(OCH&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;)(mnt)&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;]&lt;sup&gt;-&lt;/sup&gt; and DMS) relative to the reactants, and ii) by offering an alternative reaction pathway with a twisted trigonal prismatic geometry in the transition state. This finding may have implications for the enzymes in the DMSO reductase family of mononuclear molybdenum enzymes where an amino acid residue (serine, cysteine or seleneocysteine) is found in the active site.}},
  author       = {{Thapper, Anders}},
  isbn         = {{91-628-4800-3}},
  keywords     = {{Inorganic chemistry; enzymes; transition state; intermediate; mechanism; molybdopterin; density functional theory; model systems; oxygen atom transfer; molybdenum; tungsten; Oorganisk kemi; Chemistry; Kemi}},
  language     = {{eng}},
  publisher    = {{Anders Thapper, Inorganic Chemistry 1, Chemical Center, Lund University}},
  school       = {{Lund University}},
  title        = {{Modelling of molybdopterin-dependent enzymes}},
  year         = {{2001}},
}

Lund University Publications

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Modelling of molybdopterin-dependent enzymes