酶作為生物催化劑的原理?揚子晚報網3月14日訊（通訊員 齊琦 記者 楊甜子）周環反應是一類在反應過程中形成環狀過渡态的協同反應，比如著名的[4 2]環加成反應（Diels-Alder反應）、Cope-重排反應、Claisen-重排反應等，這些反應在有機合成中有着廣泛的應用有意思的是，在自然界中也觀察到了可催化這些著名周環反應的酶早在1965年，Woodward和Hoffmann兩位諾貝爾化學獎獲得者就預測了[6 4]或其它高階環加成反應可以發生，随後在有機合成中确實觀察到了[6 4]反應，但自然界中是否存在着可催化[6 4]反應的酶仍然是個謎，下面我們就來聊聊關于酶作為生物催化劑的原理?接下來我們就一起去了解一下吧!

酶作為生物催化劑的原理

揚子晚報網3月14日訊（通訊員 齊琦 記者 楊甜子）周環反應是一類在反應過程中形成環狀過渡态的協同反應，比如著名的[4 2]環加成反應（Diels-Alder反應）、Cope-重排反應、Claisen-重排反應等，這些反應在有機合成中有着廣泛的應用。有意思的是，在自然界中也觀察到了可催化這些著名周環反應的酶。早在1965年，Woodward和Hoffmann兩位諾貝爾化學獎獲得者就預測了[6 4]或其它高階環加成反應可以發生，随後在有機合成中确實觀察到了[6 4]反應，但自然界中是否存在着可催化[6 4]反應的酶仍然是個謎。

南京大學戈惠明、譚仁祥和梁勇研究團隊首次鑒定出能夠催化[6 4]環加成反應的一類酶家族，相關成果“Enzyme-catalysed [6 4] cycloadditions in the biosynthesis of natural products”2019年3月13日在線發表在英國《自然》雜志上。南京大學助理研究員博士、以及博士研究生王凱标、王文和汪欣為該論文共同第一作者。戈惠明、譚仁祥、梁勇以及加州大學洛杉矶分校的Kendall N. Houk教授為共同通訊作者。

該團隊在前期工作中，從海洋放線菌中發現了一個具有抗幽門螺旋杆菌活性的新穎大環内酯化合物命名為streptoseomycin，根據其結構推斷，它在微生物體内的合成過程中可能涉及[4 2]環加成反應。為鑒定此過程，他們比較分析了streptoseomycin以及其結構類似物nargenicin的生物合成基因簇，推測一個未知功能的同源蛋白StmD、NgnD很有可能分别負責streptoseomycin和nargenicin中的環化反應。然而，敲除stmD基因并未得到預料中的環化産物前體3，而得到了線性化合物4和5，這很可能是化合物3環内雙鍵較多，張力較大，自發水解開環所緻。研究人員設計了一個在微生物體内驗證StmD功能的實驗，首先敲除了基因簇上大部分基因，僅留下聚酮合成酶基因，此突變株隻産生化合物4；當将stmD基因回補回去時，得到了化合物6−8，其中化合物7不穩定，可經Cope重排轉化成6。該結果表明，聚酮合成酶的直接産物是3，若無下遊其它酶存在時，3将發生水解開環而生成4；若再引入StmD，則催化發生周環反應，奇怪的是，該酶不僅催化了[4 2]反應，也催化了[6 4]反應。

随後，研究人員設計了兩步串聯的酶反應在體外來驗證周環酶的催化功能。首先，通過聚酮合成酶上的硫酯酶結構域催化鍊狀化合物4-SNAC環化形成3，當同時加入StmD或NgnD時，反應體系中觀察到了化合物6−8的生成，确證StmD或NgnD可同時催化[4 2]和[6 4]反應。此外研究人員以StmD為探針從公共基因組數據庫中，挖掘鑒定出了另外三個可催化此反應的酶。

為了更好地理解[6 4]、[4 2]環加成反應和[3,3]-Cope重排反應之間的相互關系，研究人員通過密度泛函理論計算了反應的熱力學和動力學。有趣的是，底物3越過單一過渡态後可歧化成兩個方向，分别生成[6 4]、[4 2]反應産物，由于[6 4]化合物在熱力學上更穩定，[4 2]産物可再經Cope重排自發轉化成[6 4]産物。此理論計算結果與實驗觀察結果相吻合，進一步證明了之前的推斷。

最後，研究者獲得了StmD、NgnD和101015D三個蛋白的晶體來進一步研究該反應的催化機理。通過分子對接、計算機模拟和點突變實驗，闡明了此類新型環加成酶的反應機制。M69中富含電子的硫原子會特定的指向過渡态中部分帶正電的雙烯部分，從而産生有利的靜電作用；同時反應物中部分帶負電的三烯酯會與W67上的芳香環産生π–π堆疊相互作用，來穩定過渡态并加速整個反應的進行。此外，Y55和Y13也會通過分子間氫鍵和CH–π相互作用來催化反應。

綜上所述，研究人員巧妙設計實驗，通過體内敲除基因、體外酶催化反應、量子化學計算、分子動力學模拟以及蛋白晶體的研究等，表征了首例可催化[6 4]/[4 2]環加成反應的酶。這類酶的發現将進一步拓展人們對周環反應酶的認識，啟發科學家們将來利用和改造周環反應酶來實現有價值的分子轉化。

該研究得到了國家重點研發計劃，國家自然科學基金委優青項目、重點項目，江蘇省特聘教授計劃等的資助，特别感謝南京大學配位化學國家重點實驗室以及醫藥生物技術國家重點實驗室，以及人工微結構科學與技術協同創新中心高性能計算中心和南京大學高性能計算中心提供的服務。

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