铁铁氢化酶成熟酶HydE和HydG的催化机理研究

Hydrogenase enzymes rapidly catalyze the reversible redox interconversion of protons and hydrogen. The most efficient catalyst for proton reduction so far is [FeFe]-hydrogenase (HydA). The H-cluster at the active site of HydA consists of a typical [4Fe-4S] cluster tethered to a 2Fe subcluster by a single cysteine ligand. The 2Fe subcluster is synthesized and inserted via three maturase enzymes, namely HydE, HydF, and HydG. Understanding the biosynthesis and catalytic mechanism of 2Fe subcluster will aid in the development of synthetic hydrogenase catalysts, which may help us to resolve the increasingly energy crisis and environmental pollution. Based on the obtained crystal structures of HydE and HydG, this project is aimed at exploring the catalytic reaction mechanisms of these enzymes by using combined quantum-mechanical/molecular-mechanical (QM/MM) calculations. Much information could be obtained, including the roles of the C-terminal iron-sulfur cluster and the catalytic cycles. Moreover, the interactions between substrate and residues of the active sites will be explored. And the key factors to determine the reactions will be recognized. The calculation results in this study are not only helpful for understanding the biosynthesis and catalytic mechanism of 2Fe subcluster but also can provide useful information for the study of the bionics design of HydA.

氢化酶能够高效、可逆地催化氢气的氧化还原反应。铁铁氢化酶（HydA）是迄今为止发现的产氢效率最高的一种氢化酶，其活性中心的氢簇由一个[4Fe-4S]簇通过一个半胱氨酸连接一个2Fe亚簇构成，2Fe亚簇的合成和组装涉及到三个HydA成熟酶，它们分别是HydE、HydF和HydG。理解2Fe亚簇的合成和组装机制有助于人工合成氢化酶催化剂，帮助人们解决日益严重的能源危机和环境污染问题。本项目拟以得到的HydA成熟酶的晶体结构为基础，利用量子力学和分子力学相结合的方法(QM/MM)对它们的催化机理进行系统的研究，探讨2Fe亚簇的合成和组装机制。主要研究内容包括考察底物与酶的相互作用，阐明整个催化循环反应机理，揭示铁硫簇对酶催化活性的影响，明确质子-电子传递规律，找出影响酶催化效率的关键因素等。该项目的开展不仅对于阐明2Fe亚簇的合成和组装机制具有重要意义，还可为HydA的仿生学研究奠定理论基础。

金属酶是自然界中广泛存在的一类酶，铁离子是许多金属酶催化反应中必不可少的一种辅因子，由于铁离子具有复杂的电子结构，所以对铁依赖酶催化反应的理论研究一直是酶催化反应领域的研究难点和热点。对铁依赖酶催化反应机理的理论研究有助于阐明催化反应中质子-电子传递的规律、铁离子自旋态对催化反应活性的影响、自由基传递的规律、影响催化反应的关键因素等问题。在本项目的资助下，我们主要利用量子力学和分子力学相结合的QM/MM方法对几种酶的催化反应机理进行了系统的理论研究，阐明了酶与底物的作用机制，揭示了整个催化反应循环机理。研究结果表明，NOV1催化反应中Cα-Cβ键的裂解主要采用双加氧酶催化反应机理完成，在Cα-Cβ键裂解反应机理中，辅因子Fe(II)上的活化分子氧可与底物的Cα-Cβ双键反应生成二氧杂环丁烷中间体；SnoK和SnoN催化反应中Fe(IV)=O复合物夺取底物上的氢原子，形成的底物自由基进攻步骤是整个反应的决速步骤，Fe(IV)=O复合物的五重态是整个催化反应的最可能反应活化态，催化反应最可能发生在Fe(IV)=O复合物的五重态势能面上；ChaP催化反应中，与Fe配位的HOO-上的质子被底物夺取，有利于生成亲核产物Fe-O22-来进攻羰基碳，在催化反应中，σC-C轨道上的电子分别被转移到πxy*轨道和σ*z2轨道上。综上所述，本项目的研究结果在原子水平上揭示了几种铁酶的催化机理，明确了质子-电子传递规律，找出了影响酶催化效率的关键因素等，得到的理论研究结果可为相关酶的进一步研究提供有用信息。