血红素是自然界所有生物体共有的一种辅助性因子。血红素在呼吸、光合作用、氧传递等许多重要的基本生命活动中起着重要的作用。其生物合成途径的研究受到了广泛的关注。在经典的血红素合成途径中,粪卟啉Ⅲ被脱羧两次,形成原卟啉原IX(图1A)。对于绝大多数真核生物来说,这种反应是由氧依赖的粪卟啉氧化酶HemF进行实现的.对大多数细菌来说,这一过程是由一类含有四铁四硫酮的金属酶HemF催化的,它以S-腺苷甲硫氨酸(Sadenosylmethionine,SAM)为氧化剂实现。HemF作为SAM-自由基家族的重要代表,在以往的一系列研究中对其作用机制进行了详细的推测。认为酶中心中的两个分子SAM分别负责两个丙酸侧链的氧化脱羧。自2003年采用这一机制以来,这一机制得到了广泛的承认。
最近,张琪研究组又重新深入研究了HemN的催化机理。首次发现,将氘标记的d3-SAM分子用于HemN反应后,相关产物的产率大幅度下降,产生的Dadoh有明显的氘原子标记。这一发现表明,在反应过程中,两个分子的SAM中存在氢原子交换过程。随后,仔细分析了HemN的反应,并意外地发现,单脱羧化合物能够捕获SAM自由基分子产生了SAM加成化合物。这一结果清楚地表明,酶中心的一个分子的SAM作为自由基的前体产生脱氧腺苷自由基,而另一个分子的SAM作为氢原子的转移中间体启动整个脱羧反应。(图1B)。这一发现显著地改变了以前普遍接受的HemN机制。同时,该工作发现的氢原子转移模式也代表了一种新的自由基酶学机制,表明了SAM自由基酶家族对高活性自由基的精确控制和精细利用。
图1.HemN催化反应(A)和重改的HemN催化新机制(B)。
这一研究成果发表在"德国应用化学"(Angew.Chem.Int.Ed.,2019,DOI:doi:10.1002/anie.201814708)上。复旦大学化学系博士生季鑫剑是本论文的第一作者。这项工作得到了国家重点研究开发项目、国家自然科学优秀青年基金和面上项目、青年千才计划和上海曙光计划的大力支持。
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