酶促羟基化与脱饱和：以双铁烷烃单加氧酶AlkB为例的机制见解

《ACS Catalysis》：Enzymatic Hydroxylation vs Desaturation: Mechanistic Insights from the Case of Diiron Alkane Monooxygenase AlkB

　　

摘要

了解酶对羟基化或脱氢反应的催化偏好，可为潜在调控和工程化酶活性提供有用信息。AlkB是一种非血红素二铁依赖性烷烃加氧酶，可催化中链烷烃的羟基化反应，并对某些特殊底物表现出脱饱和酶活性，是研究"羟基化与脱饱和"二元关系的代表性体系。分子动力学和密度泛函计算表明，AlkB的羟基化反应不仅需要双氧的存在，还需要水作为共底物来形成Fe-氧自由基活性物种。该机理包括O₂与铁配位形成Fe(III)–O–O^–·复合物作为初始步骤，随后是Fe(III)–O–O^–·与水之间的氢转移，H⁺/e^–的添加辅助O–O键断裂形成Fe-氧自由基，通过态交叉生成的Fe(III)–O^–·物种进行氢抽象，以及羟基回弹，最终导致底物羟基化。此外，Fe-氧自由基可以促进Fe结合的氧原子之间的氢转移，在另一个铁位点产生类似的Fe-氧自由基物种，这可能会提高酶的催化效率。直接由Fe(III)–O–O^–·或Fe(III)–O–OH进行底物氢抽象的机理被发现是不利的。对于十二烷，竞争性的脱饱和是不利的，这被认为与Fe-OH基团和底物碳自由基之间的取向和距离有关。此外，我们的研究探讨了残基突变的影响，为深入理解烷烃加氧酶和非血红素二铁酶家族提供了进一步的认识。

补充资料。

补充资料可免费获得，网址：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.6c05947。

• 未结合O₂的二铁簇性质，React_Aα和React_Aβ的电子态性质，所有可电离残基的预测pKa值，使用LANL2TZ(f)进行Fe的势能曲线，MD模拟期间的RMSD和距离，MD衍生结构与DFT优化结构与冷冻电镜结构及已发表代表性模型的叠加，机理A、机理B、脱饱和反应、由Glu271H突变体催化的反应以及无Glu271的稳态点结构，水和质子传递途径，更大的模型，由Glu271H突变体催化的反应和无Glu271的势能曲线，优化结构的笛卡尔坐标，以及由MCPB.py生成的AlkB力场参数（PDF）

• MD模拟文件（ZIP）

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