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在双铁加氧酶含氧活性中间体结构的理论计算和预测方面化学所取得了进展

        在自然界有一类活性中心含有两个铁原子的双铁加氧酶,研究双铁加氧酶的含氧活性中间体的结构对揭示O2活化机理具有重要意义,但由于含氧活性中间体活性高/不稳定,用传统的X-ray单晶衍射方法难以获得它们的结构,用理论化学方法预测含氧活性中间体的结构已成为该领域的一个重要研究前沿。

        在中科院化学研究所理论计算化学平台项目和国家自然科学基金的支持下,化学研究所重点实验室的研究人员在前期工作中在含氧活性中间体结构的理论计算和预测方面取得了一系列进展,对含氧活性中间结构、57Fe穆斯堡尔谱参数和底物氧化机理进行了多尺度QM/MM理论计算和模拟研究。结果表明,其中间体结构为O2和醛底物形成的过氧半缩醛结构(图1),而不是以前认为的过氧化物结构。同时还发现O2、醛底物与对称双铁中心的相互作用具有左右不对称性(图1)。当含氧活性中间体形成时,组氨酸残基作为双铁配体很少见的与双铁中心分离。研究结果还表明,QM/MM水平的57Fe穆斯堡尔谱模拟有可能用于双铁氨酸酶含氧活性中间体的预测。

图1 计算得到的cADO含氧活性中间体结构及其57Fe穆斯堡尔谱参数

        最近,仅有的两种双铁氨加氧酶AurF和CmlI被多尺度QM/MM和57Fe穆斯堡尔谱针对性模拟,研究人员首次提出这两种酶具有相似的结构。

 

图2 理论计算预测得到的双铁芳胺加氧酶AurF和CmlI的含氧活性中间体结构 

         结果表明:(1)AurF的含氧活性中间体P和CmlI的含氧活性中间体P均具有μ-η0:η2型O2配位的双三价铁氢过氧化物铁结构(图2)。

(2)预测的双三价铁氢过氧化物结构P可以有效介导芳胺基到亚硝基,再到硝基的芳胺氮氧化过程,其中涉及胺基孤对电子的电子耦合质子转移(PCET)过程对胺基N-H键断裂起重要作用;

(3)理论计算预测的双三价铁氢过氧化物的μ-η0:η2型O2配位结构可以解释很多双铁芳胺加氧酶实验研究中的难题,如AurF和CmlI不同的57Fe穆斯堡尔谱参数,含氧活性中间体P相对较低的O-O振动频率、含氧活性中间体P的亲电/亲核双亲反应性、以及其C-H活化的反应惰性。
 

        研究人员预测的AurF和CmlI的含氧活性中间体结构相似性为统一它们的酶催化反应机理提供了依据。
 

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