分子模拟中半胱氨酸双加氧酶的混杂性：硒取代底物与钴中心金属离子的协同效应

这篇研究揭示了半胱氨酸双加氧酶（CDO）仿生模型中硒取代底物（selenocysteamine）的选择性双氧化能力，首次证实钴配合物可介导O2活化实现底物双氧化，突破了传统认知中CDO对硒代半胱氨酸（Sec）的惰性及钴抑制效应，为理解酶活性中心金属-底物协同机制提供了新视角。

　　

引言

半胱氨酸双加氧酶（CDO）作为典型的非血红素铁酶（2-His/1-羧酸三联体），催化半胱氨酸（Cys）转化为亚磺酸分支代谢产物。尽管其晶体结构和光谱特征已被解析，但关于硒代半胱氨酸（Sec）的惰性及钴取代后的抑制机制仍存疑。本研究通过构建[Tp^MesFe]仿生模型（Tp = 三吡唑硼酸盐），首次将硒代半胱胺（SeCysAm）引入CDO模拟体系，揭示了蛋白基质而非电子效应对反应选择性的关键影响。

结果与讨论

铁(II)-硒代半胱胺配合物的合成与表征

通过NaBH₄还原二硒醚获得游离硒醇，与[Tp^MesFeCl]（3a）及不对称配体[Tp^Mes*FeCl]（3b）反应，成功制备了[Tp^MesFe(Se-CH₂-CH₂-NH₂)]（4a/b）。X射线衍射显示其配位几何与天然CDO-Cys相似（τ值0.52-0.53），但Fe-Se键长（2.44-2.45 ?）显著长于Fe-S键（2.29 ?）。穆斯堡尔谱分析表明，硒取代导致四极分裂ΔE_Q增加0.41-0.50 mm/s，而异构体位移δ不变，证实高自旋态（S=2）保留。

铁(II)配合物的双氧化反应

与CDO-Sec的惰性相反，4a/b在-80°C下即可与O₂快速反应（t_1/2=13 s），生成亚硒酸产物[Tp^MesFe(O₂Se-CH₂-CH₂-NH₂)]（5a/b）。晶体结构显示κ²-O,O'配位的亚硒酸根（Se-O键长1.685-1.691 ?），且铁保持+2价态。对比硫类似物（t_1/2=40 s），硒代底物反应速率更快，表明电子因素并非CDO-Sec惰性的主因。

钴(II)体系的突破性发现

[Tp^MesCoSeCysAm]（7）在O₂中缓慢反应（t_1/2=51 min），最终生成[Tp^MesCoO₂SeCysAm]（8），成为首例分子钴配合物介导的双氧化案例。晶体结构证实八面体配位中亚硒酸根的κ²-O,O'模式，且磁化率测试支持高自旋Co(III)中间体形成。

DFT机制解析

计算表明：

1. 1.

   铁/硒体系的初始O-O活化能垒（ΔG^?=2.9 kcal/mol）低于铁/硫体系（6.6 kcal/mol），与硒醇更低氧化电位（-513 mV vs. -416 mV）一致；

2. 2.

   钴/硒路径中，Co-Se键断裂（4 ?）促使O-O均裂生成Co^III-oxyl中间体，其14.6 kcal/mol能垒解释了反应迟缓但可行的特性；

3. 3.

   对比[Tp^Ph2CoCys]（能垒>30 kcal/mol），[Tp^Mes]的空间位阻优化是关键。

结论

该研究颠覆了CDO对Sec及钴抑制的传统认知，证明仿生模型中硒代底物的高反应性源于金属-配体动态协同，而蛋白基质的空间约束才是天然酶选择性的决定因素。钴配合物的双氧化能力为设计非铁氧活化催化剂开辟了新途径。

（注：全文数据均来自原文实验与计算，未添加非文献依据的推测或结论）