Angew. Chem. ：亚砜合成酶通过配体交换实现选择性碳-硫成键

麦角硫因合成酶(EgtB)和亚砜氧化酶(OvoA)，是两种结构和功能相似的非血红素亚砜合成铁酶。EgtB能催化麦角硫因合成中关键的谷氨酰半胱氨酸(γGC)和N,N,N-三甲基组氨酸(TMH)的碳-硫氧化成键反应。麦角硫因是一种良好的天然还原剂，具有清除自由基，解毒，维持DNA的生物合成，细胞的正常生长及细胞免疫等多种生理功能，因此在合成化学和生命科学中受到广泛关注。

为了探明EgtB催化反应机理，前人已经开展了大量的实验和理论研究，包括蛋白质晶体学，稳态动力学，引入非天然氨基酸探针以及计算模拟。但是，EgtB催化机理仍不清楚甚至具有争议性。基于密度泛函理论(DFT)计算以及量子力学/分子力学组合方法计算，前期的理论模拟研究提出了两种截然不同的机理，包括(a)先碳-硫成键，再硫氧化；以及（b）先硫氧化再碳-硫成键。但是两种机理都不能很好解释实验。比如(a)机理中Y377可以给Fe(III)-O2-提供氢原子生成自由基中间体，但没有任何实验证据支持Y377作为氧化还原残基参与反应。另外反应中底物的氢转移参与速控步，和实验上同位素接近1相矛盾。在(b)机理中，反应生成了R-手性的产物，和实验矛盾。另外在route II中Y377甚至不参与催化反应，和突变实验矛盾。

为了阐明EgtB催化机理，厦门大学王斌举团队采用了分子动力学和QM/MM模拟。和前期DFT模型计算结果一致，QM/MM计算表明超氧物种进攻硫，然后发生氧-氧键断裂最有利(1→2)，反应生成Fe(III)=O物种以及底物硫氧自由基。相比于传统非血红素酶中的Fe(IV)=O物种，Fe(III)=O具有更强的碱性，因此其很容易在Y94和Y93的协助下夺取底物TMH的N-H上的质子，生成Fe(III)-OH物种以及TMH阴离子中间体（2→3）。接着，QM/MM计算发现直接的碳-硫成键能垒很高，而最有利的路径是底物γGC上硫/氧配位的交换（3→4）。而这一配位交换的驱动力是带正电的硫和带负电的TMH咪唑形成强的S/π非键相互作用。接下来碳-硫成键伴随底物TMH的氢转移到Fe(III)-OH很有利，该反应步不再成为反应的决速步（4→5）。

该理论研究解析了EgtB中长期争议的机理问题，支持保守残基Y94在反应中作为酸-碱催化剂参与底物TMH的脱质子，并且发现催化过程中关键的硫/氧配位交换可以有效缩短碳-硫的距离，削弱铁-硫键，以及提高了硫的自旋密度，这些协同效应有效降低了碳-硫成键能垒以及很好控制了反应的立体选择性。该理论工作与目前所有已知的实验相吻合，包括化学选择性，立体选择性，同位素效应等，为很多非血红素铁酶的机理研究提供借鉴。

论文信息

Coordination Switch Drives Selective C−S Bond Formation by the Non-Heme Sulfoxide Synthases

Peng Wu, Yang Gu, Langxing Liao, Yanfei Wu, Jiaoyu Jin, Zhanfeng Wang, Jiahai Zhou, Sason Shaik, Binju Wang

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202214235