背景
[4Fe-4S]依賴性的自由基S-腺苷甲硫氨酸（SAM）是氧化還原酶超家族之一，其參與生物體各種氧化還原過程。傳統的SAM酶通過[4Fe-4S]+催化S-C5'鍵的還原性裂解，生成5′-脫氧腺苷自由基（5′-dAdo）。而一些特殊的SAM酶，如Dph2酶選擇性地斷裂S-C（γ）鍵，生成3-氨基-3-羧丙基自由基物種（ACP）。儘管人們對SAM酶的結構和功能的關係進行了廣泛的研究，但這些酶中[4Fe-4S]+的電子自旋狀態如何調控氧化還原過程仍不清楚。
內容
廈門大學王斌舉教授團隊基於對稱性破缺密度泛函理論的量子力學/分子力學組合方法（BS-DFT/MM），系統研究了Dph2的完整催化迴圈機理。通過系統考察[4Fe-4S]+六種不同電子態的反應性質，理論研究發現S-C（γ）鍵還原裂解高度依賴於[4Fe-4S]+的電子自旋狀態。有趣的是，六種電子自旋狀態可根據S-C（γ）鍵斷裂能壘的高低大致分為高能壘組和低能壘組。
作者發現反應勢壘的高低與Fe4（與SAM配比特）原子的自旋方向高度相關。由於泡利不相容原理，Fe4原子的淨自旋調控與其相反自旋的電子從[4Fe-4S]+轉移到C（γ）原子上。這種自旋調節的電子轉移一方面能够促進[4Fe-4S]簇的交換相關作用（如下圖a中，Fe3失去一個自旋向上的電子後其d軌道能獲得最大的交換相關能），而另一方面，與Fe4淨自旋相反的電子轉移到C（γ）原子後，該電子可以進一步與Fe4成鍵，形成Fe4-C（γ）穩定ACP自由基。基於本研究的理論認識，作者進一步推測傳統SAM酶中由於無Fe4-C鍵的生成，S-C5'鍵的還原性裂解所需的電子將直接來源於Fe4，從而促進Fe4上的自旋交換作用。
在該工作中，王斌舉教授團隊利用多尺度類比的方法，成功解釋了自由基SAM酶中自旋以及交換作用調控的氧化還原機制，為理解自由基SAM酶的催化機制和仿酶催化劑的設計提供了理論參攷。以色列希伯來大學Sason Shaik教授參與了文章的討論修改，是文章的共同通訊作者。感謝自然科學基金的支持以及天津大學董敏教授的寶貴建議。
原文刊載於【遇見生物合成】公眾號
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