近日，化學(xué)領(lǐng)域國際頂級期刊《Angewandte Chemie International Edition》（化學(xué)領(lǐng)域top期刊，中科院一區(qū)，最新影響因子16.823）在線發(fā)表了題為《C(sp³)-H Hydroxylation in Diiron β-Hydroxylase CmlA Transpires by Amine-Assisted O2 Activation Avoiding Fe^IV₂O₂ Species》的研究成果。該成果以中科院化學(xué)所為通訊單位，新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院為合作單位，我院路嘉瑞博士為第一作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、以及黃克誠教育基金會和我校博士啟動基金等項目的資助。

C-H羥基化是自然界大量含鐵加氧酶的主要生化功能。氧分子活化是轉(zhuǎn)化O₂成為裂解C-H鍵的反應(yīng)性物種的關(guān)鍵。廣泛研究的甲烷單加氧酶（sMMO）通過菱形雙四價Fe^IV₂O₂物種Q實現(xiàn)甲烷的C-H羥基化，這一物種也經(jīng)常被用在其他雙鐵酶的C-H羥基化反應(yīng)機理研究中。然而，2017年Fox等人發(fā)現(xiàn)雙鐵氧化酶T4MO的C(sp²)-H羥基化反應(yīng)不涉及Q的參與。鑒于這一令人驚異的發(fā)現(xiàn)，提示我們需要重新思考雙鐵加氧酶中C(sp³)-H鍵活化的機理。該研究通過混合量子力學(xué)和分子力學(xué)（QM/MM）模擬發(fā)現(xiàn)，雙鐵羥化酶CmlA通過底物胺輔助O₂活化生成Fe^III₂O物種作為活性氧化劑來實現(xiàn)C(sp³)-H鍵的β-羥基化，避免了高價的Fe^IV₂O₂物種Q。同時與T4MO中的甲苯芳香族羥化作用的機制也有很大差異。這一胺輔助氧分子活化途徑對其他催化底物氨基附近發(fā)生C(sp³)-H羥基化的雙鐵加氧酶的機制研究有重要的指導(dǎo)意義，比如hDOHH。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)氧氣結(jié)合可以極大地改變雙鐵輔因子的配位環(huán)境，使兩個鐵原子之間的羥橋在O₂配位時與其中一個鐵斷裂成為末端配體為其他非血紅素雙鐵酶的O₂活化提供了更多的結(jié)構(gòu)和機制可能性。

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