出乎意料的催化机制

2016-04-01

2016年3月18日,Science发表法国格勒诺布尔大学Nicolet团队的最新成果,研究者们通过精密的实验鉴定了S-腺苷甲硫氨酸色氨酸裂合酶合成诺西肽的催化机理,颠覆了传统的理论。

诺西肽是一种由活跃链霉菌合成的高修饰、含硫丰富型大环多肽抗生素,对具有多种抗药性的革兰氏阳性病原菌表现出很好的抗性,因此在临床上具有重要的应用价值。诺西肽的生物合成来源于核糖体合成的13个氨基酸的多肽,包含四个取代的吡啶环、5个噻唑环和1个特殊的吲哚酸。其中吲哚酸是通过色氨酸裂合酶(NosL)催化色氨酸转化为甲基色氨酸(MIA)前体后再插入硫肽而形成,MIA生成的反应机制长期处于模糊阶段,而且还存在中间体的争议和误区,终于在最新的Science文章中,Nicolet团队揭开了NosL催化的神秘面纱,研究者们通过精密的实验鉴定了S-腺苷甲硫氨酸色氨酸裂合酶合成诺西肽的催化机理,颠覆了传统的认识。

色氨酸裂合酶(NosL)简介与催化机理的认识误区
  
 色氨酸裂合酶NosL属于自由基S-腺苷-L-甲硫氨酸(SAM)蛋白超家族,通过利用还原型铁硫簇([Fe4S4])和SAM来起始基于5’-脱氧腺苷酸自由基的反应。同源的酪氨酸裂合酶CofH、ThiH和HydG在合成硫胺素、脱氢酶的H簇和辅因子F420的时候,通过催化酪氨酸的Cα-Cβ键断裂产生甲苯基自由基和脱氢甘氨酸。


 由于ThiH和HydG一直被认为通过提取酪氨酸羟基侧链的氢原子来起始反应,因此在2011年的Nat.chem.biol.杂志上发表的一篇文章推测了NosL的反应机制,认为NosL也是类似其同源蛋白一般,哦那个过提取色氨酸吲哚环的-NH基团上的氢原子来起始反应。然而在2014年德国应化杂志上,Nicolet报道了L-色氨酸与NosL的晶体结构,其中氨基-NH(而不是吲哚-NH)就是为了氢提取而定位的,研究者还做了一些生化研究支持了氨基-NH是自由基生成的位点,进一步促进了对催化中间体的人是,指出自由基诱导的断键位置是Cα-Cβ或者Cα-C,

              文献中都优先支持Cα-Cβ的断裂方式,形成3-甲基吲哚自由基中间体。然而,通过3-甲基吲哚自由基形成MIA需要挑战重组反应和第二次断键,检测分流反应的产物,例如3-甲基吲哚可以证明这个机制,然而一直没有证据证明3-甲基吲哚自由基形成的推测,也就是没有证据证明Cα-Cβ的断裂方式。

  色氨酸裂合酶(NosL)的全新催化机理证实

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Nicolet团队原计划跟踪3-甲基吲哚自由基的形成来证明Cα-Cβ的断裂方式,然而研究成果却十分惊人,NosL出乎意料地使用了Cα-C断裂方式,需要特异地控制羧基片段自由基从Cα迁移到C2,这种重排方式从未见报道。通过光谱学观测自由基中间体十分具有挑战性,因为中间体的出现十分短暂,然而研究者们通过使用大量的底物类似物来延长NosL催化中间体的生命并结合计算方法来评估其性质,成功地为全新的催化机制提供了证据支持。


NosL的全新催化机制解析扩展了SAM家族酶类催化复杂化合物反应的机制,研究者们挑战了一尘不变的推测方式和结论,相信可为催化剂的理性认识带来新的气象。