研究发现基于超氧阴离子的过氧化氢酶催化机制
研究发现基于超氧阴离子的过氧化氢酶催化机制
近日，中国科学院天津工业生物技术研究所高书山团队与杭州师范大学郭瑞庭团队合作，在过氧化氢酶EasC的催化机制研究中取得重要突破。该研究首次揭示了EasC蛋白利用超氧阴离子催化氧化环化反应的新机制，相关成果发表在《自然》（Nature）期刊上。
过氧化氢酶的功能与研究现状
过氧化氢酶是一种普遍存在于自然界中的血红素铁酶，其主要功能是分解过氧化氢（H2O2），产生水（H2O）和氧气（O2），以保护生物体免受过氧化氢的毒害。当前，过氧化氢酶的研究主要集中在H2O2的分解机制及其生理功能方面，而关于氧气（O2）的代谢利用机制则鲜有报道。
EasC蛋白的结构解析
研究团队通过电镜技术获得了EasC酶与底物PCC的复合体结构（分辨率2.33Å），发现EasC呈现二聚体结构。值得注意的是，底物PCC并非结合在血红素口袋上方，而是结合在过氧化氢酶共有的NADPH口袋中。这一位置距离血红素口袋约20.7Å，两个口袋之间通过一个狭长的ROS通道相连。
催化机制的阐明
为了探讨EasC参与催化反应的铁氧复合物类型，研究团队检测了酶的波谱特征。在有氧条件下，将底物PCC和EasC酶快速混合后，使用停留色谱检测到416nm、544nm和590nm的最大吸收。这些吸收特征与已报道的血红素酶铁-氧复合物Compound I的吸收不同，而与文献报道的Compound III吸收一致，表明EasC中的血红素铁可能以Cpd III的方式参与催化反应。
进一步的电子顺磁共振和紫外吸收测试显示，在有氧条件下，静息态EasC的Fe(III)能够接收底物电子并与O2结合，直接形成Cpd III。由于Cpd III可以分解生成超氧阴离子并回归到静息态Fe(III)，研究团队推测EasC催化过程可能由超氧阴离子介导。
通过活性氧抑制实验、超氧阴离子恢复实验以及18O标记的超氧阴离子自由基竞争性实验，研究团队证实氧气被活化成超氧阴离子的活性氧形式，直接参与底物的转化，而非传统的铁-氧复合物转化底物。
新型催化机制的提出
基于上述实验结果，研究团队提出了基于活性氧超氧阴离子的反应机制。具体过程如下：
- 结合在NADPH口袋的底物PCC，其吲哚氨基将一个电子传递给血红素口袋的Fe(III)
- Fe(III)同时与氧气结合形成Fe(III)-O2•- (Cpd III)
- Cpd III进一步分解成Fe(III)和超氧阴离子
- 生成的超氧阴离子通过ROS通道进入NADPH口袋
- 超氧阴离子与底物PCC结合，催化复杂的氧化环化反应，完成麦角生物碱C环的合成
这一发现不仅阐释了麦角生物碱核心骨架C环的生物合成机制，还揭示了过氧化氢酶EasC利用超氧阴离子实现氧气激活并催化氧化环化反应的全新机制。这种催化模式表明，氧气无需形成传统的活性铁-氧复合物即可参与催化反应，为过氧化氢酶的研究开辟了新的方向。
研究意义与支持
该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、天津市合成生物技术创新能力提升行动专项等的支持。
文章来源：中国科学院网站
超氧阴离子催化麦角生物碱C环的合成机制
过氧化氢酶生成超氧阴离子催化药物合成示意图