韦德体育 -我国科学家发现基于超氧阴离子的过氧化氢酶催化机制—新闻—科学网

过氧化氢酶是一种遍及存于在天然界的血红素铁酶，其活性重要是分化H2O2孕育发生H2O及O2，以掩护生物体不被过氧化氢所迫害，今朝该酶的重要研究标的目的为H2O2的分化机制和其心理功效，而过氧化氢酶的O2的代谢使用机制还没有见报导。前期研究发明，过氧化氢酶EasC使用O2催化麦角生物碱焦点骨架四并环布局中C环合成时其实不需要分外添加NADPH等还有原剂，推测其可能代表着一种未知的氧气激活与氧夹杂机制。

近日，中国科学院天津工业生物技能研究所高书山团队与杭州师范年夜学郭瑞庭团队互助，破解了EasC卵白底物复合体布局，并使用波谱测定、体外生化、同位素标志及化学计较等手腕，从份子程度阐了然EasC使用O2催化氧化环化反映的新机制。团队起首经由过程电镜得到EasC酶与底物PCC的复合体布局（2.33?），发明EasC出现二聚体布局，而且发明PCC其实不是联合于heme口袋上方，而是联合于过氧化氢酶共有的NADPH口袋，该位置间隔heme口袋20.7?，两口袋之间经由过程一个狭长活性氧传输通道相连。为了探究EasC介入催化反映的铁氧复合物类型，随后团队对于酶的波谱特性举行了检测。于有氧前提下，将底物PCC及EasC酶（静息态Fe(III)）举行快速混淆，利用逗留色谱检测到了41六、544及590 nm的最年夜接收，该接收较着区分在血红素酶已经报导的铁-氧复合体Compound I (Cpd I,Fe(IV)=O)的最年夜接收（408及650 nm），反而与文献报导的Compound III(Cpd III,Fe(III)-O2 -）接收一致，注解EasC中的血红素铁可能以Cpd III的方式介入催化反映。进一步的电子顺磁共振及紫外接收测试注解，于有氧前提下，静息态EasC的Fe(III)吸收底物电子并与O2联合耦合、直接形成Cpd III。因为Cpd III可以分化天生超氧阴离子（O2 -）并回归到静息态Fe(III)，团队推测EasC催化历程可能由超氧阴离子介导。是以该研究进一步经由过程活性氧按捺试验、超氧阴离子恢复试验以和18O标志的超氧阴离子自由基竞争性试验，鉴定出氧气被活化成超氧阴离子（O2 -）的活性氧情势、介入底物的转化，而非传统的铁-氧复合物转化底物。

基在以上试验成果，团队提出了基在活性氧超氧阴离子的反映机制：i)联合于NADPH口袋的底物PCC，其吲哚氨基将一个电子通报给血红素口袋的Fe(III)，后者同时及氧气联合形成Fe(III)-O2 -(Cpd III)；ii)Cpd III进一步分化成Fe(III)及超氧阴离子（O2 -），天生的超氧阴离子经由过程两个口袋之间的ROS通道进入NADPH口袋；iii)超氧阴离子与底物PCC联合，催化繁杂的氧化环化反映，完成麦角生物碱C环的合成。

综上所述，该研究具体阐了然麦角生物碱焦点骨架C环的生物合成机制，发明过氧化氢酶EasC使用超氧阴离籽实现氧气激活，并进一步催化氧化环化反映。该机制代表了一种全新的血红素金属酶的催化模式，即氧气无需形成活性铁-氧复合物。同时，该研究也让过氧化氢酶的相干研究从H2O2依靠性酶转向O2依靠性酶，拓展了过氧化氢酶这平生物催化剂的研究范畴。

该事情获得了国度重点研发规划、国度天然科学基金、天津市合成生物技能立异能力晋升步履、湖北红山试验室项目、杭州师范年夜学交织学科研究项目以和中国科学院战略性先导科技专项等项目撑持，相干结果发表在Nature期刊。杭州师范年夜学陈纯琪传授、博士生刘紫薇，中国科学院天津工业生物技能研究所客座博士生禹之璞、中国科学院微生物研究所副研究员姚永鹏为本文的配合第一作者，高书山研究员及郭瑞庭研究员为本文的配合通信作者。低碳合成工程生物学天下重点试验室及工业酶国度工程研究中央相干科研职员于本项事情中做出了主要孝敬。

论文链接

?

专家点评：

赵国屏（中国科学院院士，中国科学院合成生物学重点试验室专家委员会主任）

超氧阴离子（O? ?）是于细胞代谢中孕育发生的一种活性氧自由基，凡是认为它具备毁伤DNA、卵白质等生物毒性功效。另外一方面，超氧阴离子于化学合成中已经经作为一种化学催化剂广泛用在有机份子合成；那末，超氧阴离子是否可能于生物催化、生物合成中阐扬作用，还没有获得展现。近期，高书山课题组及郭瑞庭课题组互助，于体外催化试验中发明超氧阴离子介入自然产品份子的生物合成，并解析其机制；这一新的熟悉，冲破了超氧阴离子现有的毒性功效认知。

于此项研究中，研究者综合布局生物学、生物化学、同位素化学以和波谱学试验，发明过氧化氢酶EasC可以使用麦角生物碱底物提供的一个电子，于血红素口袋直接将氧气还有原成超氧阴离子；后者可以进一步经由过程超氧阴离子通报通道，运送至位在卵白外貌的底物反映位点，催化繁杂、多步的自由基反映，合成麦角生物碱自然产品份子。文章进一步指出，这类由活性氧介导的生物催化机制很可能遍及存于在天然界，是一种遍及存于的金属酶催化机制。是以，本研究不仅解析了过氧化氢酶EasC的一种尤其有趣的前所未知的催化机制，更主要的是界定了超氧阴离子的生物催化功效。它向人们展现了超氧阴离子于生命勾当中的两重功效特征，即既是细胞代谢中不成防止会孕育发生的具备毒性的副产品，又可能于生物合成历程中成为催化东西、介入自然产品合成；从而提醒人们应周全熟悉超氧阴离子的作用，并按照差别的运用场景，留意得当的防护或者使用。

邓子新（中国科学院院士，上海交通年夜学微生物代谢天下重点试验室主任）

于微生物细胞内，O2需要于氧化酶/加氧酶的激活下，作为亲电试剂经由过程酶促反映整合至代谢产品的含氧官能团（如羟基、羰基等）中、孕育发生特定生物功效的布局单位。常见的氧化酶O2激生路径为：酶布局中的有机辅酶或者金属辅因子使用还有原剂的电子还有原O二、形成辅酶-O复合体/辅因子-O复合体；上述复合体进一步来催化底物的氧化/加氧等生物化学反映。这一典型O2激生路径被学术界广泛承认，于教科书中关在酶的催化机制阐释中被广泛援用。

高书山课题组及郭瑞庭课题组互助，缭绕真菌自然药物麦角生物碱合成酶EasC的生物催化机制解析，捕捉到一种新O2活化机制。该机制由三部门构成，第一，底物直接为血红素Fe(III)供电子，完全挣脱对于NADPH的依靠；第二，经由过程Fe(III)-O? ?中间体的瞬时天生，将伤害的超氧阴离子（O? ?）转化为可控的催化"手术刀"；第三，疏水传输通道确保活性氧份子精准导航至底物反映位点。此种O2激活模式下的EasC酶使用超氧阴离子作为自由扩散型催化东西，乐成解耦过氧化氢酶生化反映的空间限域性。

这类基在超氧阴离子的O2激活模式冲破了传统酶促氧代谢的辅酶-O/辅因子-O等复合体催化理论框架。这一发明证实了天然界血红素酶等金属酶催化的功效及机制的多样性，为人工设计高效生物催化剂斥地全新路径，于生物制药、绿色化工等范畴具备庞大运用潜力。

李盛英（山东年夜学传授）

血红素酶是天然界中含量最富厚且功效至多样的生物催化剂之一，其介导的氧化反映于细胞外源物降解、代谢产品生物合成中阐扬着焦点要害作用。因为年夜气中的O?份子处在热力学不变态，其直接介入生物合成反映存于显著动力学势垒，是以对于在血红素酶催化的氧化反映历程可以分为两个阶段：O2激活及底物转化。于NADPH提供电子的条件下，酶经由过程血红素铁激活还有原O2，形成Fe-O复合物（Compound I/II/III），进而转化底物。这类铁-O复合物模式要求底物联合在血红素上方，且氧气激活与底物转化发生于统一口袋，这类"面临面"的事情模式，严峻限定了繁杂份子的合成空间。

近期，中国科学院天津工业生物技能研究所高书山团队与杭州师范年夜学郭瑞庭团队于《天然》发表的结果展现了一种双口袋、长途协同催化模式。于该研究中，高书山团队及郭瑞庭团队互助，经由过程冷冻电镜解析了麦角生物碱合成酶EasC的复合物布局，发明麦角生物碱底物联合在NADPH口袋而非传统血红素口袋，并经由过程一个狭长的疏水地道实现血红素口袋与底物口袋的协同催化。经由过程停流光谱、EPR以和紫外-可见光谱等技能证明了血红素-铁的Compound III（Cpd III）中间体的存于，并立异性地提出Cpd III可以分化天生超氧阴离子（O? ?），后者经由过程地道通报介导麦角生物碱C环形成的自由基级联反映。

这类机制相称在于针尖上建起两座差别化工场，别离出产活性氧及药物份子，并经由过程份子级"特快专列"通报催化指令。于该机制中，底物无需直接接触Fe中央与O2，O2激活与底物转化别离于自力区域完成。这类空间分散不仅显著扩大了底物转化的三维空间，还有实现了多步自由基氧化环化反映的精准调控。是以，该研究发明冲破了血红素酶传统的Fe-氧复合物催化范式，为天然界广泛存于的血红素酶催化机制研究提供了新视角。

陈义华（中国科学院微生物研究所研究员，微生物质源与生物技能研究室主任）

微生物次级代谢储藏了富厚的化学布局多样性，是抗生素、抗癌药物、免疫调治剂等药物份子的主要来历。为了合成布局各别的次级代谢产品，微生物进化出了凸起的酶催化元件多样性。对于微生物药物份子的生物合成研究有用拓展了酶催化机制的认知界限，为开发新型酶元件及成长合成生物学技能奠基了基础。

高书山团队前期于对于麦角生物碱类药物的研究中发明了非凡的过氧化氢酶EasC，它可以催化裸麦角碱C环的形成。于Nature最新发表的事情中，他们及郭瑞庭团队互助进一步展现了EasC的怪异催化机制，拓展了对于氧化酶催化机制的认知界限。EasC冲破了经典过氧化氢酶仅催化H?O?歧化的功效局限，进化出了一种前所未知的超氧阴离子（O? -）介导的协同催化机制，催化形成为了裸麦角碱的C环。

EasC对于氧化还有原酶经典催化机制的挑战于在：它并不是使用活性的血红素Fe-O复合物来催化反映，而是于血红素活化区别解血红素Fe及氧气形成的Compound III孕育发生超氧阴离子，经由过程11.6?的疏水地道扩散至底物转化区完成裸麦角碱的氧化环合。这类"自由基穿梭"机制为理解金属酶催化中的电子-活性氧协同通报催化提供了全新的视角。更成心思的是，EasC采用的"双位点-地道协同"的催化架构揭示了微生物于使用有限的氧活化反映类型的基础上，进化出的催化聪明：经由过程血红素于活化区孕育发生活性氧物种（ROS），于空间解耦的底物转化区完成催化。将ROS的天生与使用举行空间区室化，既防止了细胞毒性，又高效完成为了氧化反映，揭示了酶对于多步自由基级联反映的精准时空调控。

微生物次级代谢产品生物合成研究的冲破不停刷新咱们对于生物催化的认知。不论是前期发明的不依靠任何辅基的氧化酶、差别类型的卤化酶、Diels–Alder环化酶，还有是该研究展现的新型过氧化氢酶，都为熟悉生物催化的多样性、开发新型生物催化剂、重构药物份子生物合成路子提供了名贵的资源。

（原标题：天津工业生物技能研究所等发明一种基在超氧阴离子的过氧化氢酶催化机制）

了解更多 :