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【催化】北化工王振刚课题组ACS Catal.：基于超分子识别的仿酶光脱羧体系

X-MOL资讯 · 公众号 · · 2023-05-28 08:09

正文

天然酶具有高效的催化能力，这主要是由于其活性中心内氨基酸残基的几何分布能够根据底物的结构变化，使底物更好地接近活性中心并完成催化过程。如何开发仿生催化剂，使其对底物分子具有更好的亲和力，对催化过程具有重要意义。分子自组装是解决这一问题的一种方法。虽然许多研究人员致力于利用自组装来重构酶的活性中心，但在设计分子组装基元和可控组装等方面仍存在挑战。设计并形成底物和催化剂的超分子复合物来模拟天然酶的催化过程是一个值得考虑的方法。

核黄素类衍生物（flavin）是一些天然酶（如葡萄糖氧化酶（GOx）、葡萄糖脱氢酶（GDH）等）的辅因子，在这些酶的催化过程中起着非常重要的作用。同时，它也是一种常见的光催化剂，相对于金属光催化剂（如铱、钌复合物等），具有廉价易得和反应副产物为无污染的过氧化氢或水等环境友好型催化剂的主要优点。核黄素类光催化剂催化过程一般为：处于基态的核黄素受到蓝光照射，形成激发单重态，随后通过系间窜越形成三重态。三重态的核黄素具有较强的氧化能力，可以和底物反应。在此过程中，形成的核黄素还原态和氧气反应，回到基态形式，完成整个催化循环过程。目前，已经在蛋白质改性和天然氨基酸偶联反应等领域应用了这种催化剂。然而，核黄素类催化剂和底物之间的亲和性不足可能会导致一些不必要的副反应，降低催化效率。因此，提高核黄素类光催化剂与底物的结合能力是提升其催化效率的关键。

目前已有报道的一种脂肪酸光脱羧酶是以核黄素衍生物（黄素腺嘌呤二核苷酸，FAD）作为辅因子，其内部通过氨基酸残基的不同排布形成了使底物接近FAD的通道，通过蓝光光照实现脂肪酸的脱羧反应。此外，在一些以核黄素为辅因子的天然酶中，活性中心周围的酪氨酸、色氨酸的芳香侧链也在底物和催化中心的识别中起到了重要作用。基于这些原理， 北京化工大学王振刚 教授课题组报道了一种 利用核黄素类衍生物（黄素单核苷酸，FMN）和芴甲氧羰基（Fmoc）基团保护的氨基酸共组装的方法。 由于三环结构的FMN和Fmoc之间有良好的亲和性，可以使氨基酸和催化剂接近，促进 氨基酸α碳的脱羧/氧化反应。

图1.（A）(i) 天然酶催化过程中底物和活性位点结合的几何效应，（ii）天然脂肪酸光脱羧酶活性中心结构以及底物与活性中心结合的通道，（B）光催化剂FMN和Fmoc基团保护的氨基酸通过自组装以及光照实现脱羧氧化反应

在研究中，作者通过分子动力学模拟、核磁共振氢谱、紫外可见光谱以及荧光光谱证明了光催化剂FMN和Fmoc保护的氨基酸在水溶液中存在共组装现象。随后，使用蓝光光源（460 nm）照射该自组装系统，发现受激发的FMN可以使使氨基酸或者短肽上邻近Fmoc基团的α-碳发生脱羧氧化反应，获得产物的产率在15%-26%之间。进一步地，将Fmoc基团进行碱脱保护处理，可得到改性的氨基酸产物。研究也发现，当α-碳羧基远离Fmoc基团，将Fmoc基团替换为叔丁基或者苯环，或使用未修饰的氨基酸时，脱羧反应效率大幅度下降，表明核黄素与α-碳羧基的邻近对脱羧反应的重要作用。

图2. 结构表征。（A）FMN和Fmoc-氨基酸自组装过程的分子动力学模拟。FMN与不同氨基酸衍生物组装后的核磁氢谱（B），紫外-可见吸收光谱（C），荧光光谱（D）。

表1. Fmoc-氨基酸在光催化剂FMN存在下获得脱酸氧化产物的产率

综上，该工作受天然酶催化过程启发，通过超分子识别，使底物和分子催化剂结合，促进催化反应，为仿生催化体系的设计提供了一种新的研究途径。该论文在 王振刚 教授指导下完成，博士生 张宝利 和 吴海峰 同学为论文共同第一作者。该工作获得国家自然科学基金 (21872044、52173194)、北京市自然科学基金 (2232017) 和中央高校基本科研业务费(XK1806，buctrc201902) 的支持。

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Enzyme-Mimetic Photo-decarboxylation Based on Geometry-Dependent Supramolecular Association

Baoli Zhang, Haifeng Wu, Shan Li, Yuanxi Liu, Peidong Du, and Zhen-Gang Wang*

ACS Catal. , 2023 , 13 , 6763–6772, DOI: 10.1021/acscatal.3c01669

导师介绍

王振刚

https://www.x-mol.com/groups/wangzg

【催化】北化工王振刚课题组ACS Catal.：基于超分子识别的仿酶光脱羧体系

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