ChemCatChem：[4Fe-4S]依赖酶电子转移驱动底物活化的理论与机制研究

[4Fe-4S]团簇是由四个铁原子和四个硫原子组成的类立方体型无机配合物，它们是多种蛋白质和酶的重要组成部分，在生物过程中的电子传递和催化中发挥着重要作用。理解[4Fe-4S]依赖酶反应机理对于了解生命过程以及仿生催化剂的设计具有重要意义。理论研究主要采用量子化学团簇和量子力学/分子力学（QM/MM）两种方法来研究模拟酶催化反应。

图1. [4Fe-4S]团簇六种电子自旋态

在[4Fe-4S]中，三个铁离子通常与三个半胱氨酸残基的侧链连接，剩余的铁离子则与半胱氨酸或底物结合。[4Fe-4S]在蛋白中主要以三种氧化态存在，即：[4Fe-4S]³⁺、[4Fe-4S]²⁺和[4Fe-4S]⁺。这些不同的氧化态使[4Fe-4S]团簇成为一种多功能辅助因子，在氧化还原反应中传递电子或者充当酶催化反应活性中心。在[4Fe-4S]中，四个铁离子处于高自旋态反铁磁耦合。以[4Fe-4S]⁺为例，研究表明其基态是对称破缺的二重态，即四个铁离子都是高自旋，其中两个铁离子自旋向上（α），两个铁离子自旋向下（β）。这样就可以形成六种电子态（图1）：ααββ、αβαβ、αββα、ββαα、βαβα和βααβ。[4Fe-4S]不同的电子态影响酶催化反应的活性。

这篇综述总结了近些年[4Fe-4S]依赖酶反应机理的理论计算研究。这些酶包括SAM自由基酶、IspH酶，LipA合成酶、杂二硫键还原酶（Hdr）、(R)-2-羟基异己酰辅酶A脱水酶以及DCCP_Ch蛋白，这些酶催化的反应如表1所示。

结果与讨论：计算表明，[4Fe-4S]团簇在酶催化反应中通常介于[4Fe-4S]²⁺氧化态和[4Fe-4S]⁺还原态之间，在DCCP_Ch蛋白中则会被还原到[4Fe-4S]⁰。此外，[4Fe-4S]团簇的不同电子态显着影响酶的反应性。在自由基反应中，SAM或者底物分子配位的铁离子与转移的电子在反应过程中是倾向反铁磁耦合。

图2. [4Fe-4S]依赖性酶催化反应的电子转移过程：（a）单电子转移；(b) 双电子转移

[4Fe-4S]团簇作为酶催化活性中心，在反应过程中通过单电子或双电子转移的方式来活化底物分子完成酶催化反应（图2）。在SAM自由基中，一个电子从[4Fe-4S]⁺转移到C-S键的σ*轨道，触发C-S键断裂，产生高活性的碳自由基中间体来驱动后续反应。类似地，在IspH 和 (R)-2-羟基异己酰基-CoA脱水酶反应中，一个电子从[4Fe-4S]团簇转移到C-O键的σ*轨道，以促进C-O 键断裂，产生碳自由基中间体。在Dph2、Hdr、和DCCP_Ch酶催化反应中则是发生的双电子转移过程。在Dph2中，两个电子从[4Fe-4S]团簇转移到SAM分子形成碳阴离子与铁离子配位。在Hdr和DCCP_Ch中则是由两个铁硫簇分别转移一个电子到底物分子来促使S-S健的断裂和C-H健的生成。

[4Fe-4S]依赖性酶反应机理的理论计算研究虽然已经取得了很大进展，但仍然有很多具有挑战性的问题需要解决。作者认为最具挑战性的是氧化还原电位和光谱性质的计算。因为这些计算结果可以直接与实验结果进行比较，这对于理解反应机理非常重要。然而，以当前的计算技术而言，氧化还原电位和光谱性质的计算还不够准确，作者认为这是未来理论计算努力的方向。

论文信息

Mechanistic Insights into the electron-transfer driven substrate activation by [4Fe-4S]-dependent Enzymes

Dr. Wen-Jie Wei, Prof. Dr. Rong-Zhen Liao

ChemCatChem

DOI: 10.1002/cctc.202301712