红蓝铜氮还原酶中次级配位层效应对自旋密度分布的差异化调控机制研究

来自国际团队的研究人员针对次级配位层效应(SCS)如何差异化调控红铜(Red CuAz)与蓝铜(Blue CuAz)活性中心电子结构这一关键科学问题，通过1H/14N-ENDOR光谱和DFT计算，首次揭示静电作用在两类铜蛋白中产生同向调控，而F114P突变通过破坏Cys112硫氢键导致相反效应，为人工设计金属蛋白活性中心提供新范式。

　　

金属蛋白通过主配位层(PCS)和次级配位层效应(SCS)精密调控金属活性中心的电子特性，从而高效执行电子传递(ET)和催化等氧化还原反应。其中关键调控环节在于氧化还原活性分子轨道(RAMOs)的各向异性空间分布——这直接决定了金属蛋白的氧化还原化学特性。尽管学界已对天然金属蛋白中SCS调控RAMOs的机制有相当认知，但针对相同SCS修饰如何影响不同空间分布RAMOs的实验研究仍属空白。

研究团队巧妙利用铜氮还原酶模型：天然蓝铜蛋白(Blue CuAz)及其经M121H/H46E突变改造的红铜蛋白类似物(Red CuAz)。两者RAMOs分别由Cu-S_π和Cu-S_σ相互作用主导，构成理想对比体系。通过¹H/¹⁴N电子-核双共振(ENDOR)光谱技术，团队系统解析了Red CuAz及其N47S/F114P/F114N突变体的未配对电子分布特征，并结合密度泛函理论(DFT)计算，首次揭示SCS修饰对红蓝铜中心的差异化调控规律。

有趣的是，当在铜硫附近引入偶极矩时，静电作用对Red和Blue CuAz自旋密度分布产生同向影响，且变化幅度相近。但破坏Cys112与骨架氮的硫氢键(S_C112?H-N)的F114P突变却引发截然相反的效应——这源于红蓝铜蛋白中Cys112侧链构象的适应性差异。该发现不仅深化了对金属蛋白电子结构调控的认知，更为理性设计功能化金属酶提供了关键理论依据。