近日，微生物科技國家重點實驗室（微生物技術研究院）李盛英教授團隊和廈門大學王斌舉教授團隊合作，以α，β-不飽和脂肪酸為底物探針，對三個CYP152家族的代表性P450過加氧酶OleTJE、P450SPα和P450BSβ進行催化反應分析，首次揭示了一種由P450過加氧酶活化過氧化氫產生臨近水分子介導的碳-碳鍵斷裂新機制，相關研究結果以“Unexpected Reactions ofα，β-Unsaturated Fatty Acids Provide Insight into the Mechanisms of CYP152 Peroxygenases”為題，發表在化學領域權威期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition，IF: 15.336）。山東大學微生物科技國家重點實驗室為第一單比特；李盛英教授和王斌舉教授為共同通訊作者；博士後蔣媛媛、李眾以及廈門大學博士研究生彭煒為論文共同第一作者。
細胞色素P450酶具有極為豐富的底物結構和催化反應多樣性，可在溫和條件下催化惰性碳氫鍵的選擇性氧化，因而具備化學催化劑難以比擬的優勢，被譽為自然界的“萬能催化劑”。絕大多數P450酶具有共同的單氧合機制，以O2、NAD（P）H和氧化還原伴侶蛋白分別作為氧供體、電子源和電子穿梭體。少數P450酶如CYP152過加氧酶則可直接利用H2O2作為唯一的氧和電子供體，通過過氧化氫分支途徑驅動P450酶的催化反應迴圈。
來自鹹海鮮球菌（Jeotgalicoccussp. ATCC 8456）的CYP152家族成員OleTJE能以H2O2為輔因數，直接催化脂肪酸一步氧化脫羧得到高附加值產物α-烯烴，在過去十年中引起了生物燃料和生物資料領域的極大關注。與之不同的是，同家族的脂肪酸羥化酶P450SPα和P450BSβ主要催化脂肪酸羥基化反應，分別生成α-和β-羥基脂肪酸。CYP152家族P450過加氧酶獨特的化學選擇性和區域選擇性的分子基礎，尤其是底物構象和電子性質如何影響該類酶的催化模式一直是近期國際酶學研究的前沿熱點領域。
本研究中，以順/反-2-十二碳烯酸作為底物探針，作者對三個CYP152家族的代表性成員（OleTJE、P450SPα和P450BSβ）進行了細緻的反應分析。底物探針的引入，使P450脂肪酸脫羧酶OleTJE僅表現出羥基化反應活性；OleTJE對反-2-十二碳烯酸的6S-羥基化和順-2-十二碳烯酸的4R-羥基化揭示了其對不同構型底物的區域選擇性差异。分子對接分析表明該選擇性差异是由於OleTJE偏好C2-C3的順式構型所引發。
令人意外的是，除了順/反-2-十二碳烯酸的雙鍵環氧化產物，P450SPα和P450BSβ主要產生碳-碳鍵斷裂產物十一醛。作者結合同位素標記的H218O2示踪實驗、MD類比和QM/MM計算，闡明了由高反應活性中間體Compound I介導的成醛反應新機制。該反應是一種“非常規”P450反應，由H2O2活化產生的臨近水分子的氫原子奪取所引發。該機制與OleTJE催化飽和脂肪酸的碳-碳鍵斷裂脫羧反應完全不同，因為OleTJE催化的碳-碳鍵斷裂反應由典型的底物Cβ-H攫氫所引發。值得一提的是，P450SPα和P450BSβ也可催化其它不同鏈長的α，β-不飽和脂肪酸碳-碳鍵斷裂合成相應的脂肪醛產物。
本研究首次解析了H2O2活化產生的臨近水分子在CYP152過加氧酶催化中的關鍵作用，深化了學術界對細胞色素P450酶催化碳-碳鍵斷裂機制的理解。P450SPα催化順-2-十二碳烯酸體系高達14381的總轉化數為脂肪醛的生物合成提供了一條全新、簡單且高效的酶催化方案。由於脂肪醛是重要的化學中間體，廣泛用於香料和調味劑的生產，囙此該工作具有廣闊的實際應用前景。
本研究得到了國家傑出青年科學基金、國家重點研發計畫和山東省自然科學基金等科研專案的支持。
論文連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202111163
以上內容來源於【微生物科技國家重點實驗室】官網：http://www.mbtechinst.qd.sdu.edu.cn/info/1036/3571.htm
本文版權歸原作者所有，文章內容不代表平臺觀點或立場。如有關於文章內容、版權或其他問題請與我方聯系，我方將在核實情况後對相關內容做删除或保留處理！聯繫郵箱：yzhao@koushare.com