计算化学预测脂肪酸羟化的区域和立体选择性

通过计算预测化学反应的选择性具有重要价值。最近，科学家利用分子动力学（MD）模拟及量子力学/分子力学计算来解释细胞色素P450BM3催化过程中底物结合的诱导原理；揭示了底物分子如何在F87位氨基酸的影响下的立体选择性羟化。...



细胞色素P450是一类可利用分子氧对多种有机分子，例如类固醇、必需脂肪酸等重要化工品进行羟化的一类酶。以色列科学家选择P450 BM3及脂肪酸衍生物N-棕榈酰甘氨酸（NPG）作为研究对象，报道了该酶催化反应立体选择性的机理（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138 ,  837–845）。首先，通过分子动力学模拟可以看出底物结合后催化口袋呈明显的收缩趋势（β1折叠明显向内偏移了11Å的距离），从而验证了底物诱导结合原理；具体来讲即为底物进入后能与A螺旋的Pro25、β1折叠的Glu43及F/G loop的Leu188形成相互作用，导致三者所在的部分相互靠近，从而使β1折叠的Arg47与F/G loop的Gln73之间距离由15Å缩短为2.5Å，由此形成底物通道的闭合（下图）。



对于预测NPG的区域选择性羟化，本文利用MD模拟计算了底物分子中氢原子与P450中铁原子的距离。通过比较静息态和激发态时二者的距离变化，推测ω-1、ω-2及ω-3位C-H将被羟化，ω位不被羟化（ω-3距离Fe-O最近，平均为4.72Å；ω距离Fe-O最远，平均为8Å），这与实验结果是吻合的。造成这种选择性的内在原因是F87阻挡在hame环与底物的烷烃尾部之间，造成底物尾部弯曲，由此使得ω位C-H远离Fe-O；将F87突变为丙氨酸后，底物的ω位氧化>90%。

同时，通过计算C-H键与P450中Fe原子的距离，也可说明在ω-1、ω-2羟化过程中为何优先生成R型的产物--pro-R的C−H距离Fe原子更近，较容易被氧化；ω-3的羟化较ω-1、ω-2更为复杂，虽然MD模拟显示pro-S的C−H更靠近Fe原子，但此时由于受到F87位氨基酸的影响，使得pro-S构型的Fe−O−H键角较pro-R更大，从而增大了pro-S构型C−H羟化所需的能量（由QM/MM计算得知），降低了其反应发生的概率（下图）。



通过分子动力学（MD）模拟及量子力学/分子力学（QM/MM）计算预测反应结果，必将能更好的指导我们进行酶分子改造及探索酶促反应机理。

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