生物分子的C-H鍵羥化反應，是自然界含鐵加氧酶最普遍的化學催化轉(zhuǎn)化過程。在羥化反應中，O2活化過程將氧分子轉(zhuǎn)化為具有底物羥化能力的含氧活性中間體，是加氧酶研究的核心化學問題。對于雙核鐵羥化酶，目前經(jīng)典的O2活化機制源于已被廣泛研究的可溶性甲烷單加氧酶（sMMO），其特點是O2活化后形成菱形雙四價Fe2IVO2中間體（Q），通過Q的抓氫過程，羥化甲烷中惰性C(sp3)-H鍵。該O2活化機制，常被用于推測其它雙鐵羥化酶的反應機制。然而，最近實驗研究發(fā)現(xiàn)，對于甲苯單加氧酶（T4MO）中苯環(huán)C(sp2)-H的羥化過程，其機制并非通過形成Q，而是在O-O鍵未斷裂之前，其O2活化形成的超氧物種進攻苯環(huán)。因此，探究C(sp3)-H鍵羥化過程是否存在其它O2活化機制，是雙鐵加氧酶研究領(lǐng)域中一個重要的科學問題。
在前期研究的基礎(chǔ)上，中科院化學所陳輝研究員團隊，運用多尺度QM/MM模擬，首次揭示了雙鐵羥化酶CmlA新奇的底物氨基輔助O2活化機制。雙鐵羥化酶CmlA在氯霉素生物合成中負責其第一步轉(zhuǎn)化，即對氨基苯丙氨酸（L-PAPA）底物β位C(sp3)-H鍵的羥基化。研究發(fā)現(xiàn)，CmlA底物L-PAPA中待羥化的C(sp3)-H鍵鄰位上自帶的氨基，通過N-O成鍵，可以協(xié)助O2活化中O-O鍵發(fā)生異裂。這種氨基輔助的O2活化機制，產(chǎn)生了雙三價Fe2IIIO中間體作為CmlA中真正的羥基化活性中間體，在機制上既不同于sMMO，也不同于T4MO。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，O2活化過程中形成的N-O鍵，在C(sp3)-H羥化完成后，可以逆向發(fā)生斷裂，從而使底物中的氨基得以再生，最終使氨基達到無痕協(xié)助O2活化的效果。 在該工作中，陳輝研究員團隊揭示的CmlA底物上氨基促發(fā)的O2活化機制，為生物酶的催化轉(zhuǎn)化過程，提供了新的底物分子識別和反應選擇性的調(diào)控機制。此外，研究中發(fā)現(xiàn)的雙鐵第一配位層橋式羥基在O2配位后的重組現(xiàn)象，也為今后相關(guān)雙鐵加氧酶O2活化過程中結(jié)構(gòu)與機制的多樣性，提供了新的可能性和研究潛力。 論文信息 C(sp3)?H Hydroxylation in Diiron β-Hydroxylase CmlA Transpires by Amine-Assisted O2 Activation Avoiding FeIV2O2 Species Dr. Jiarui Lu, Prof.?Dr. Wenzhen Lai, Prof.?Dr. Hui Chen Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202211843
