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Halogenases in Biocatalysis: Advances in Mechanism Elucidation, Directed Evolution, and Green Manufacturing
WANG Mingpeng, CHEN Lei, ZHAO Yiran, ZHANG Yimin, ZHENG Qifan, LIU Xinyang, WANG Yixue, WANG Qinhong
Synthetic Biology Journal    DOI: 10.12211/2096-8280.2024-091

Fig. 10 The proposed catalytic mechanism of BesD by calculation and simulation[80]
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Zhang等[80]系统研究了独立型NHFe/αKGHs家族典型成员BesD的催化机制(图10)。量子力学/分子力学(QM/MM)计算与MD模拟结果表明轴向配位的Fe(IV)=O主导底物C-H键的活化过程。氢原子转移(HAT)导致质子从底物C-H键迁移至Fe(IV)=O中心,伴随底物自由基和Fe(III)-OH中间体的形成。值得注意的是,轴向Fe(III)-OH与底物间的空间位阻显著提高了Cl?配体回弹反应的活化能(ΔG=33.5 kcal/mol)。为克服这一能垒,Fe(III)-OH需经历从轴向到赤道位点的构象重排,该异构化过程有效消除了自由基与金属中心的空间排斥作用(ΔG降至13.3 kcal/mol),使底物自由基得以顺利接近Cl?配体完成卤化反应。此外,SCS内的Asn219残基对Fe(III)-OH的构象转换至关重要。N219A突变体的QM/MM研究表明,当Asn219与琥珀酸的氢键相互作用被破坏时,琥珀酸与Fe(III)-OH呈现双齿配位模式,导致轴向Fe(III)-OH无法完成赤道构象转变(ΔG增加至27.3 kcal/mol)。上述结果强调了SCS影响Fe催化中心构象变化的重要性,也对其他NHFe/αKGHs催化的C-H功能化反应具有启示意义。
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