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ChemistryOpen:新穎氮雜?吲哚生物堿骨架分子的生物催化合成機(jī)理研究

吲哚類(lèi)生物堿是自然界中存在的一種重要含氮有機(jī)化合物,大多數(shù)具有生物活性,并且很多已經(jīng)被用作臨床藥物。盡管生物堿在生物體內(nèi)天然存在,但是往往不能在體內(nèi)累積,導(dǎo)致了通過(guò)直接分離手段獲取天然產(chǎn)物通常存在純度不高、產(chǎn)量低和成本高等問(wèn)題,不能滿(mǎn)足作為藥物的需求?;瘜W(xué)全合成方法雖然在天然產(chǎn)物合成中有很多成功案例,但是產(chǎn)率也往往很低,絕大多數(shù)仍處在實(shí)驗(yàn)室水平。尤其是生物堿結(jié)構(gòu)復(fù)雜、手性中心較多,在合成過(guò)程中涉及多步純化,導(dǎo)致產(chǎn)率大幅降低。隨著近些年來(lái)結(jié)構(gòu)生物學(xué),代謝工程學(xué)和合成生物技術(shù)等各領(lǐng)域的快速發(fā)展,微生物異源合成生物堿展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。合成途徑中關(guān)鍵酶的反應(yīng)機(jī)理研究可以為高效酶元件的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo),進(jìn)而為高效生物合成體系的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。


異胡豆苷合成酶(STR)是吲哚類(lèi)生物堿合成途徑中的關(guān)鍵酶,催化色胺與裂環(huán)馬錢(qián)子苷發(fā)生Pictet?Spengler(PS)反應(yīng)生成異胡豆苷。近期研究發(fā)現(xiàn),來(lái)自于蛇根木的RsSTR不僅可以催化天然底物反應(yīng),還可以催化裂環(huán)馬錢(qián)子苷和非天然底物1H-吲哚-4-乙胺反應(yīng)生成一種罕見(jiàn)的七元氮雜?吲哚骨架分子。基于該骨架合成的部分化合物具有抗瘧活性。目前,RsSTR催化裂環(huán)馬錢(qián)子苷和1H-吲哚-4-乙胺的反應(yīng)機(jī)理尚不明確。







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圖1 異胡豆苷合成酶催化天然底物反應(yīng)生成異胡豆苷和催化非天然底物反應(yīng)生成氮雜?吲哚骨架分子的反應(yīng)示意圖。

近日,中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物所的盛翔課題組通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算研究,在原子水平上解析了RsSTR催化裂環(huán)馬錢(qián)子苷和1H-吲哚-4-乙胺反應(yīng)生成稀有七元氮雜?吲哚骨架分子的完整反應(yīng)機(jī)理。首先,作者基于酶與異胡豆苷的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)(PDB ID: 2V91),構(gòu)建了RsSTR催化裂環(huán)馬錢(qián)子苷和1H-吲哚-4-乙胺反應(yīng)的酶-底物復(fù)合物模型。然后,在得到的酶-底物復(fù)合物的基礎(chǔ)上,優(yōu)化了反應(yīng)途徑中涉及的各中間體和過(guò)渡態(tài)的結(jié)構(gòu),并分析了反應(yīng)的能量關(guān)系,確定了酶催化反應(yīng)最可能的反應(yīng)途徑,明確了反應(yīng)的決速步驟,揭示了一些關(guān)鍵殘基對(duì)酶活性的影響。

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圖2 基于量子化學(xué)計(jì)算提出的異胡豆苷合成酶催化合成氮雜?吲哚骨架分子的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理。

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圖3 量子化學(xué)計(jì)算方法結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到的過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)及其相對(duì)于酶-底物復(fù)合物的能量。

計(jì)算表明,非天然底物1H-吲哚-4-乙胺在酶活性中心的結(jié)合方式不同于天然底物色胺。這說(shuō)明RsSTR的結(jié)合口袋可以進(jìn)行構(gòu)象調(diào)整以適應(yīng)不同底物,這是該酶具有廣泛底物譜的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。同時(shí),研究還證明了RsSTR催化裂環(huán)馬錢(qián)子苷與1H-吲哚-4-乙胺的反應(yīng)遵循PS反應(yīng)的一般反應(yīng)機(jī)理,其中Glu309作為廣義酸堿,在質(zhì)子傳遞過(guò)程中具有重要作用。最終產(chǎn)物由環(huán)化中間體經(jīng)過(guò)去質(zhì)子化產(chǎn)生,并且計(jì)算結(jié)果表明這一步驟是整個(gè)反應(yīng)的決速步??傊?,本研究解析了RsSTR催化合成新穎氮雜?吲哚生物堿骨架分子的生物催化合成機(jī)理,研究結(jié)果將豐富我們對(duì)STR 酶催化反應(yīng)的微觀機(jī)制的認(rèn)知,并為其他PS酶的相關(guān)研究提供理論指導(dǎo)。

文信息

Uncovering the Mechanism of Azepino-Indole Skeleton Formation via Pictet–Spengler Reaction by Strictosidine Synthase: A Quantum Chemical Investigation

Mingqi Mou, Dr. Chenghua Zhang, Dr. Shiqing Zhang, Fuqiang Chen, Dr. Hao Su, Prof.?Dr. Xiang Sheng


ChemistryOpen 

DOI: 10.1002/open.202300043






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