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Chem. Eur. J. :钴胺素依赖的 SAM 酶催化的连续C-H甲基化反应机理研究2022-12-13
华中科技大学廖荣臻课题组通过量子化学团簇模型计算方法,研究了一种新发现的维生素B12依赖的自由基SAM酶催化反应机制,揭示了该酶在催化底物连续性甲基化过程中所表现的立体选择性、化学选择性以及区域选择性。

碳青霉烯类化合物是一类广泛用于临床的β-内酰胺抗菌药物。相对于其他β-内酰胺抗生素,这类化合物由于内酰胺环Cα位具有羟基化的烷基基团,因而具有很好的抗菌稳定性和很强的抗菌效果。研究表明,一种B12依赖的自由基SAM酶TokK,在天冬霉素A(一种碳青霉烯类化合物)的生物合成过程中起到关键作用。TokK通过催化底物PCPM三次连续性甲基化,在β-内酰胺环上选择性构筑异丙基。虽然TokK酶催化反应已被揭示,但其催化过程的反应机制以及关于该酶催化反应过程中的立体选择性、区域选择性起源知之甚少。

 

 

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为了探讨连续甲基化过程中的反应选择性问题,廖荣臻教授课题组采用量子化学团簇模型计算方法对该酶催化反应进行研究。团簇模型计算结果表明,在第一次甲基化过程中,TokK酶利用反应活性区的5’-脱氧腺苷自由基选择性攫取PCPM内酰胺环上Cα位的 pro-S 型氢原子,形成底物自由基中间体;之后活性区中的甲基钴胺素向底物自由基提供甲基,伴随着Co-C键均裂的同时,将甲基从底物的Re面转移至Cα位,从而得到 R 型 Me-PCPM。计算结果表明,由于能垒过高,甲基很难从底物的 Re 面转移至底物羰基O上。

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对于后续两次甲基化反应,该课题组依次考虑了5’-脱氧腺苷自由基在不同位点攫取氢原子的可能性,同时结合甲基钴胺素将甲基从底物的Re面转移至不同的碳自由基位点的能垒高低,最终解释了TokK酶选择性催化合成异丙基化β-内酰胺化合物(R)-iPr-PCPM的内在原因。

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该理论计算研究不仅很好地揭示了底物多次甲基化反应过程中的选择性起因,也能为其他能够催化多次连续性甲基化反应的钴胺素依赖的SAM酶反应机理研究提供帮助,对于天冬霉素A类药物设计和改造也具有潜在意义。

文信息

Sequential C–H methylation Catalyzed by the B12-dependent SAM Enzyme TokK: Comprehensive Theoretical Study of Selectivities

Wen-Hao Deng, Rong-Zhen Liao

文章第一作者为邓文浩,通讯作者为廖荣臻

Chemistry – A European Journal

DOI: 10.1002/chem.202202995

 

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