化學所JACS 理論計算預測雙鐵加氧酶含氧活性中間體結構研究

來源 | 中科院化學所 編輯 | 化學加

導讀

自然界生物體中廣泛存在一類活性中心含有兩個鐵原子的雙鐵加氧酶。研究雙鐵加氧酶含氧活性中間體的結構，對揭示其活化O2的機制非常關鍵。然而，由於含氧活性中間體的活性高/不穩定，用傳統的X-ray單晶衍射方法獲取其結構非常困難，通過理論化學預測雙鐵加氧酶含氧活性中間體的結構，成為當前該領域的重要研究前沿。

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計算得到的cADO含氧活性中間體結構及其57Fe穆斯堡爾譜參數

在中科院化學所理論計算化學平台項目和國家自然科學基金委的支持下，化學所光化學院重點實驗室的科研人員在理論計算預測雙鐵加氧酶含氧活性中間體結構研究方面取得系列進展。在前期工作中，針對藍藻醛去甲醯化加氧酶(cADO)，科研人員對其含氧活性中間體結構、57Fe穆斯堡爾譜參數、底物氧化機理等，開展了多尺度QM/MM（混合量子力學/分子力學）理論計算模擬研究，證實了其中間體結構是O2與醛底物形成的過氧半縮醛結構(圖1)，而不是以往通常認為的過氧化物結構。

研究還發現，O2、醛底物、對稱雙鐵中心三者間的相互作用，具有左右不對稱性，在含氧活性中間體形成時，作為雙鐵配體的一個組氨酸殘基會罕見地從雙鐵中心解離。該工作也顯示QM/MM水平的57Fe穆斯堡爾譜模擬，在雙鐵加氧酶含氧活性中間體預測方面具有應用潛力。相關結果發表在J. Phys. Chem. Lett.2016,7, 4427-4432。

最近，針對目前僅有的兩種雙鐵芳胺加氧酶AurF和CmlI，利用多尺度QM/MM模擬結合57Fe穆斯堡爾譜模擬，科研人員首次提出了這兩種酶含氧活性中間體P具有類似的結構。研究發現：

（1）AurF和CmlI的含氧活性中間體P都具有μ-η:η2型O2配位的雙三價鐵氫過氧化物((FeIII)2-hydroperoxo)結構；

（2）預測的雙三價鐵氫過氧化物結構P可以有效介導芳胺基到亞硝基，再到硝基的芳胺氮氧化過程，其中涉及胺基孤對電子的電子耦合質子轉移（PCET）過程對胺基N-H鍵斷裂起重要作用；

（3）理論計算預測的雙三價鐵氫過氧化物的μ-η:η2型O2配位結構可以解釋很多雙鐵芳胺加氧酶實驗研究中的難題，如AurF和CmlI不同的57Fe穆斯堡爾譜參數，含氧活性中間體P相對較低的O-O振動頻率、含氧活性中間體P的親電/親核雙親反應性、以及其C-H活化的反應惰性。

科研人員預言的雙鐵芳胺加氧酶AurF和CmlI含氧活性中間體P的結構類似性，為統一它們的酶催化反應機理提供了基礎。相關結果發表在J. Am. Chem. Soc.2017,139, 13038-13046。

理論計算預測得到的雙鐵芳胺加氧酶AurF和CmlI的含氧活性中間體結構

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