理論計算預測雙核鐵酶活性中間體結構和相關反應機制

　　一氧化氮分子(NO)和氧分子(O2)，是自然界中最重要的兩種雙原子自由基分子。在生物體內，NO分子是重要的信號分子，在平滑肌血管舒張、神經信號傳遞、血小板解聚、微生物感染免疫反應等方面，發揮著重要的生理作用。在自然界生物體中廣泛存在著雙核鐵酶，其活性中心含有兩個鐵位點。雙核鐵酶不僅能參與O2分子的活化，而且可以活化NO分子。黃素雙核鐵蛋白(FDP)就是活化NO的雙核鐵酶（圖1），并使其還原為N2O。人體免疫系統為了對抗微生物和病菌，可以產生具有殺滅微生物和病菌功能的高濃度NO，而作為對抗，致病菌所產生的黃素雙核鐵蛋白，可催化還原NO，從而導致感染的發生。因此，研究黃素雙核鐵蛋白催化NO還原反應的機制，對控制微生物感染具有重要意義。

　　在國家自然科學基金委和中國科學院化學研究所理論計算化學平臺項目的支持下，化學所光化學重點實驗室研究員陳輝團隊，在理論計算預測雙核鐵酶活性中間體結構及其反應機制研究方面取得系列進展。雙核鐵酶活化O2/NO的活性中間體結構，是揭示其自由基小分子活化機制的鑰匙。然而，由于這些瞬態中間體的高活性和不穩定性，用傳統的X-ray單晶衍射方法獲取其結構是非常困難的。因此，如何通過其它方法預測雙核鐵酶含O2/NO瞬態活性中間體的結構，成為當前制約其O2/NO活化機制和酶催化反應機制研究的瓶頸問題。在前期工作中，針對這一難題，陳輝團隊發展了結合57Fe穆斯堡爾譜模擬的多尺度QM/MM方法，發現理論計算模擬可以給出中間體的結構信息，并成功運用于雙鐵芳胺加氧酶AurF和CmlI (J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 13038-13046)，以及藍藻醛去甲酰化加氧酶cADO (J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 4427-4432)的含氧瞬態活性中間體結構預測和機制研究中。然而，對于含有NO的雙核鐵酶瞬態活性中間體，該方法的有效性還有待確定。