各人好，今天推送的文章是来自ACS Publications的“Fenton-Derived OH Radicals Enable the MPnS Enzyme to Convert 2-Hydroxyethylphosphonate to Methylphosphonate: Insights from Ab Initio QM/MM MD Simulations”通信做者是耶路撒冷希伯来大学化学研究所的Sason Shaik传授。
过去的几十年里，人们在金属酶激活O2的机造方面有强烈的兴趣，因为通过O2活化的金属-氧中间体能够使金属酶具有一系列的氧化转化活性。目前甲基膦酸盐合酶（MPns）催化的分子机造仍未得到处理，鉴于MPns与非血红素羟乙基膦酸盐双加氧酶（HEPD）具有显著的序列同源性，做者在参考研究较为完整的HEPD的催化的分子机理后，对MPns催化的分子机理停止摸索。
起首做者在其晶体构造（如下图所示）中找到Lys28’和Trp449’那两个活性位点，并发现赖氨酸残基（Lys23）位于O2连系位点的正上方，并在催化过程中阐扬了关键的催化感化。按照MPnS的新构造特征与以往HEPD尝试和计算研究的差别，做者通过QM（B3LYP）/MM-based的元动力学（MetD）以及典范的MD模仿来研究非血红素MPnS的O2的激活分子机理。
做者通过测定QM（B3LYP）/MM-MetD自在能剖面图（如下图所示），解析了Fe(III)−OO•−将底物脱氢的过程，成果表白在初始反响物复合物5RC1中，Lys28’与Fe(III)−OO•−的O2部门的近端O有氢键。通过5RC1中的Fe(III)−OO•−从配位底物中连系H，此中产生的过氧化氢中间体如下图a所示，并生成醛基需要约17.0千卡/mol的自在能垒。反响中起首发作H的提取，之后底物将一个电子转移到Fe（III）以生成Fe（II）。
做者接下来研究了Fe（II）介导的O−O对MPnS中过氧化氢的裂解，下面左图显示从5IC1起头，通过5TS2后O−O键裂解得到Fe（III）−OH，以及亚稳态的羟基自在基中间体。做者对中间体5IC2停止了QM/MM MD模仿，羟自在基遭到了氢键的限造，自觉攻击底物的碳基，与此同时，Fe（III）−OH的羟基量子（H3）转移到去量子化的Lys28’，也同时证明了在HEPD中察看到的高价Fe（IV）-oxo（5IC3）的存在。做者为了比力而计算了羟自在基从Fe−OH部门提取H的势垒，比拟于底物来说，四周相邻的C−H键比Fe−OH的O−H键强得多，背面证明了游离的羟基自在基会只攻击底物，而不是其他临近的残基。之后做者计算了MPnS的铁（IV）-oxo中间体的穆斯鲍尔光谱参数，成果与尝试参数十分接近，从而停止了再次的证明。
因为Fe（IV）-oxo中间体是底物的同量性O−H键激活的重要活性物量，所以之后做者摸索其对底物O−H基团的H-提取感化。下方左图显示了反响的QM（B3LYP）/MM-MetD自在能曲线。从5IC3起头，Fe（IV）-oxo在底物O−H基团中滞留，得到一个Fe（III）−OH−和一个宝石-二烷基自在基中间体（5IC4），元动力学模仿显示反响通过“交换加强”路子停止，Fe（III）的d区中供给5个自旋向上的电子，并在自旋密度种群中得到证明，从而使系统获得了更大的交换不变。随后宝石-二烯基自在基中间体的C−C裂解，如下方右图显示，并得到了与DFT模子计算吻合的自在能垒。那一步中，C−C裂解招致MPnS中磷酸聚甲基自在基（MPn）和甲酸盐中间体的构成。
之后的反响中MPnS中的MPn·产品是因为MPn·自在基中间体从甲酸盐中提取H而产生的。此反响步调简单，自在能垒低，H的领受与二氧化碳向Fe（III）转移电子的步调连系，从而产生MPn和二氧化碳。因为二氧化碳产品倾向于从活性位点逃逸，元动力学模仿中没有察看到产品形态从头转移到反响物形态。所以做者停止了QM/MM扫描来进一步评估那一步的能垒，二者势垒接近。从5IC5起头，做者研究了OH在C-自在基上的反弹，招致HEPD中呈现HEP产品（5PC2）。预测的自在能垒十分高。产生高反弹势垒的原因是5IC5中的OH基团与FeIII强连系，并被来自Lys28’和甲酸配体的两个氢键进一步不变。
最末做者提出了MPnS的催化机理，如下图所示。第一步，铁超氧Fe（III）−OO·−（5RC1）从底物中领受一个氢原子2-HEP。Fe（III）−OO·−的远端O的H领受与通过其近端O提取Lys28’的量子相连系，得到一个过氧化氢中间体（5IC1）。随后，Fe（II）催化O−O通过芬顿型反响生成了一个羟自在基，并自觉地附着在底物碳基（5IC3）上。同时，Fe（III）−OH的羟基量子转移到去量子化的Lys28’，从而在5IC3中构成Fe（IV）=O。Fe（IV）=O能够从底物的羟基中高效地提取氢原子，消费一个Fe（III）−OH和一个宝石-二烷基自在基中间体（5IC4）。随后C1−C2裂解，构成磷酸聚乙基自在基（MPn·）和甲酸盐中间体（5IC5），是一个相对容易的步调。C-自在基最末从甲酸中提取H，得到的最末产品为5PC1中的MPn和二氧化碳。此中Lys28’的存在不只供给了O2激活的量子穿越机造，并且在MPnS催化中供给了一个Fe（IV）−oxo中间体。
综上所述，做者操纵基于QM（B3LYP）/MM的元动力学研究，破译了MPnS的整个催化轮回，并做到了与现有的尝试数据相婚配并通过计算证了然一个不寻常的量子穿越机造：由相邻赖氨酸残基激活O2（Lys28’），在那种机造中，Fe（III）−OO·−远端O的H领受与通过其近端O从Lys28’提取量子连系，产生过氧化氢中间体，那关于非复原性MPnS酶来说其实不常见。由此生成的过氧化氢中间体随后被用于芬顿型反响，招致一个羟自在基自觉地附着在底物碳基上。同时，来自Fe（III）−OH的量子被穿越归去量子化的Lys28’，供给了Fe（IV）-oxo。过氧化氢中间体的产生和它的芬顿反响产生消费的OH自在基，增加了我们对非血红素酶激活O2的战略的理解，并以可控的体例利用芬顿反响。那可能对为此目标设想新的酶活性位点具有深远的意义。
文章信息：
DOI: 10.1021/jacs.9b02659
END
发表评论