日本团队成功制成碳氢键羟基化人工酶,并破解催化机理

生命科学 2017年12月28日

据大阪大学、兵库县立大学、理化学研究所(RIKEN)和科学技术振兴机构(JST)于12月15日联合发布的新闻稿报道,由阪大工学研究科大洞光司助教和林高史教授等带领的研究组,与兵县大生命理学研究科城宜嗣教授、理研放射光科学综合研究中心杉本宏特聘研究员一道,世界上首次阐明锰卟啉烯肌红蛋白人工酶(myoglobin reconstituted with manganese porphycene,MnPc)室温下催化惰性碳氢键羟基化 (inert C−H bond hydroxylation)的机理,将对丰富天然碳源的有效开发利用又成功推进了一步。该研究成果已于12月14日发表在化学领域顶端期刊《Journal of the American Chemical Society》上[1]。

由于碳氢键非常稳定,要打破C−H键至少需要95kcal/mol的高能量,所以对自然界丰富碳源的转化利用至今为止仍有限。催化剂是一类能够将通常不发生化学反应的原料物质有效地转化为有用产物的物质。催化剂有多种类型,其中有代表性的是蛋白质酶、利用金属物体表面的固体催化剂以及纳米分子催化剂等。就本研究领域,能够有效将C−H键羟基化成C-OH键的催化物备受瞩目。尤其能够在室温条件下催化单加氧酶反应(将一个氧原子插入到C-H键中形成C-OH键)的天然生物酶细胞色素P450 (cytochrome P450)得到广泛研究。已知该酶反应的关键是能够从亚铁血红素中抢走电子的高价活性中间体。虽然活性中间体的研究对酶反应机理阐明和酶工程改良意义重大,也可能用于固体催化剂和纳米分子催化剂的中间体研究,但活性中间体的反应速度非常快,半衰期极短,另外通常仅在天然酶的蛋白内部容易表达,人工应用非常困难,研究手段极为有限。

另外,已知与细胞色素P450拥有同样血红素但结构较为简单的肌红蛋白,却完全没有催化活性。之前大洞助教和林教授等的研究组,用人工制备的络合物锰卟啉烯替换血红素后,首次发现结构简单的肌红蛋白也有了催化活性(图1)[2]。但是对于反应活性中间体是如何在室温下实现碳氢键羟基化的还没有阐明。

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图1 肌红蛋白的血红素(ヘム)被替换后制成有催化活性的人工酶(左上角为肌红蛋白结晶图)

本次发表的研究中,大洞助教和林教授等的研究组,将人工酶在不存在底物的情况下,与强氧化性的过酸反应,并通过各种分光法观测鉴定。利用动力学停止流仪系统(stopped-flow apparatus)最终首次确认活性中间体为五价锰氧化物(图2)。

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图2 对含锰络合物的人工酶的活性中间体观测与鉴定示意图

较之天然酶底物特异性的局限,本研究中的人工酶具有广谱底物催化性。另外基于对活性中间体的发现,进一步探明惰性碳氢键活化的详细机理,结合计算化学更为合理高效地设计人工酶,以及用于固体催化剂和纳米分子催化剂的改造等,都令人充满期待。

文/ 客观日本编辑部

参考文献:
1.Koji Oohora, Hiroyuki Meichin, Yushi Kihira, Hiroshi Sugimoto, Yoshitsugu Shiro and Takashi Hayashi, Manganese(V) Porphycene Complex Responsible for Inert C–H Bond Hydroxylation in a Myoglobin Matrix, J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.7b11288
2. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 17282-17285.

相关链接:
催化惰性碳氢键室温下羟基化的人工酶活性机理获解析(日文)[网址]

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