Nature Catalysis（亮点）：酶催化结构调控卡宾底物选择性

纳米技术

2021-06-05

金属卡宾对广泛的官能团具有反应活性，因此控制金属卡宾物种的反应选择性具有较高难度。近期，人们发现了细胞色素C（cyt C）血红素蛋白的变体Rma TDE，该变体结构中含有突变结构V75T M100D M103E，这种人工酶催化剂实现了卡宾插入Si-H键新型酶催化反应。有鉴于此，加州大学洛杉矶分校Marc Garcia-Borràs、K. N. Houk，加州理工学院Frances H. Arnold等报道研究了酶催化反应中的化学选择性原因（硅基化相对于副反应胺基化的选择性达到97 %），作者通过化学计算模拟、动力学同位素实验结合揭示了该反应的机理。自然催化编辑Jan-Stefan Völler对该工作进行亮点评述报道。

本文要点：

（1）

对于硅基化反应，生成C-Si键的过程是催化反应的决速步骤，卡宾插入反应是一种协同异步过程；然而对于胺基化反应而言，生成N-H键的过程通过N-亲核进攻、ylide重排过程进行。作者在反应过渡态拟合的过程中发现，协同Si-H插入反应的能量变化比亲核进攻胺基化反应的能量变化更高，这个对比结果说明当没有蛋白质结构的情况中亲核进攻胺基化反应更容易进行。

（2）

通过进一步计算模拟，发现Rma TDE能够通过对过渡态构象结构、蛋白结构“front loop”实现选择性调控实现抑制胺基化反应的过渡态稳定性；随后作者发现在Rma TD中引入N80F M99P E103I变体结构构建变体酶Rma TDFPI，反应的选择性转变为胺基化反应。同时作者发现野生Rma cyt c对Si-H、N-H键的反应选择性基本相同。

（3）

总结。作者通过对比反应在未加蛋白、不同构象的Rma cyt-c蛋白存在条件中考察卡宾插入反应的变化情况，通过蛋白工程化和酶变体实现了卡宾转移反应选择性的调控，这种反应选择性调控的研究为生物催化、合成化学领域研究提供灵感并且指明方向。

参考文献

Völler, JS. Chemoselective carbene transfer. Nat Catal 4, 345 (2021).

DOI: 10.1038/s41929-021-00626-w

https://www.nature.com/articles/s41929-021-00626-w

Marc Garcia-Borràs*, S. B. Jennifer Kan, Russell D. Lewis, Allison Tang, Gonzalo Jimenez-Osés, Frances H. Arnold*, and K. N. Houk*, Origin and Control of Chemoselectivity in Cytochrome c Catalyzed Carbene Transfer into Si–H and N–H bonds, J. Am. Chem. Soc. 2021

DOI: 10.1021/jacs.1c02146

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c02146