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Chemistry—A European Journal | 镧系离子如何影响甲醇脱氢酶的加成-消除步骤

大家好,今天分享一篇2020年发表在Chemistry—A European Journal的文章——How Lanthanide Ions Affect the Addition–Elimination Step of Methanol Dehydrogenases,通讯作者是意大利卡拉布里亚大学的Tiziana Marino教授。

近年来,微生物中镧系元素(Lns)的发现丰富了无机生物化学领域。镧系元素参与甲烷循环,并与特定金属依赖型醇脱氢酶催化甲醇和乙醇的氧化过程密切相关。目前,镧系元素已被广泛研究并应用于多个领域,钆的复合物是磁共振成像中的有效造影剂,镧系氧化物由于其导电性被用作电器架构中的催化剂,甚至新一代混合动力汽车的电池和部件同样有镧系成分。
2014年,Arjan Pol等人首次报道了镧系元素依赖型甲醇脱氢酶(MDH)的X射线结构,结构显示辅因子2,7,9-三羧基吡咯并喹啉醌(PQQ)直接与铈离子(Ce)结合(PDB:4MAE)。有趣的是,甲基嗜酸杆菌仅在含有靠前的镧系元素存在时生长。这一发现使人们对Ln在MDH氧化甲醇及细菌代谢过程中的作用产生了浓厚的兴趣。
四年后,与铕结合的MDH(Eu-MDH)的3D结构被报道(PDB:6FKW)。相比于Ce-MDH,Eu-MDH的催化活性明显降低。此外,与镱结合的MDH(Yb-MDH)未检测到活性。这种现象被归因于镧系收缩效应,即镧系元素的原子半径和离子半径随着原子序数的增加而逐渐减小,从而导致了与镧系元素结合的MDH的稳定性和反应性降低。矛盾的是,原子序数的增加也意味着镧系元素的路易斯酸度(LA)和电荷密度增加,理应有利于Ln-MDH催化过程中的电子转移。为了解释这一矛盾,Tiziana Marino等人对Ln-MDH的催化机理进行了深入分析。
以Eu-MDH的3D结构为初始结构,基于不受限制的 Kohn-Sham (UKS) 计算,考虑到不同的自旋多重性,对 Ln3+-MDH (Ln3+=Pr-Yb) ES-PQQ 复合物进行了系统研究,发现所有金属的配位数 (CN) 为 9,甲醇直接与金属中心配位。随着原子序列增大,可以观察到金属与甲醇的氧原子(Osub)之间的键长逐渐由2.56 Å减小到2.34 Å,这体现了镧系元素的收缩效应。同时,金属的平均配位范围也在减小,这可能是Eu-MDH催化活性降低、Yb-MDH活性消失的原因。
作者指出由 MDH 介导的甲醇氧化成甲醛是通过“加成-消除-质子化”三步反应完成的。第一步加成,底物甲醇的氧攻击并连接PQQ的C5,同时将其质子提供给第一配位的残基Asp299。在随后的消除步骤中,由于PQQ的第一次质子化,形成的甲醛被释放。最后一步,通过第二次质子转移,PQQH2和去质子化的Asp299同步形成。PQQH2会在细胞色素C的作用下完成辅因子的再生。
作者进一步计算了Ce-MDH、Eu-MDH和Yb-MDH催化甲醇过程中的势能面。从图中可以看出三个系统的能量有明显不同,2.1 kcal/mol左右的能垒差异足以影响动力学行为,这为金属的重要作用提供了进一步的证据。原子序数的增加使阳离子配位壳中的平均距离减少,从而导致了能垒的增加,这体现了镧系收缩效应对活性的影响。特别的是,质子化步骤中Yb-MDH的能垒反而最低,这是由于在半醌 (PQQH) 的质子化过程中,镱的较小离子半径能产生更有利的几何重排。
关于第二步消除步骤,此前有研究假设反应的驱动力来自PQQ的π键系统和甲醛的π键形成之间的排斥力。但是本文的作者通过计算分析,证明这种相互作用是不存在的,因为最高占据分子轨道(HOMO)并不涉及PQQ部分。在Ce-MDH中,经计算HOMO位于Ce轨道上,该轨道靠近反应中心,这同样可以解释为何相比之下Ce-MDH的催化活性较高。
论文链接:https://doi.org/10.1002/chem.202001855



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