Science：揭示脂肪酸光脱羧酶作用机制
来源：本站原创 2021-04-11 22:05
2021年4月11日讯/生物谷BIOON/---光致酶（photoenzyme）是一种罕见的生物催化剂，在每个催化循环中都会吸收一个光子；它们激发了具有重要活性的人工光致酶的开发。脂肪酸光脱羧酶（fatty acid photodecarboxylase, FAP）是一种天然的光致酶，在基于生物的碳氢化合物生产中具有潜在的应用价值，但其机制还远未被完全了解。
2021年4月11日讯/生物谷BIOON/---光致酶（photoenzyme）是一种罕见的生物催化剂，在每个催化循环中都会吸收一个光子；它们激发了具有重要活性的人工光致酶的开发。脂肪酸光脱羧酶（fatty acid photodecarboxylase, FAP）是一种天然的光致酶，在基于生物的碳氢化合物生产中具有潜在的应用价值，但其机制还远未被完全了解。
为了阐明FAP的作用机理，法国研究人员利用一系列技术，包括静态和时间分辨的晶体学和光谱学，以及生化和计算方法，研究了小球藻（ Chlorella variabilis）的野生型FAP及其活性位点残基发生变化的变体。相关研究结果发表在2021年4月9日的Science期刊上，论文标题为“Mechanism and dynamics of fatty acid photodecarboxylase”。
这些作者解析出分辨率为1.8埃的小球藻FAP的X射线晶体结构，该结构揭示出一个密集的氢键网络将脂肪酸羧基定位在黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）辅因子附近。
利用自由电子激光和低剂量同步辐射X射线晶体数据解析出的结构进一步突出了氧化型黄素发色团不寻常的弯曲形状，并显示弯曲角（14°）在光子吸收（步骤1）或整个光循环中没有变化。计算结果表明，弯曲实质上影响了黄素的能级。针对两个保守的活性位点残基R451和C432的野生型FAP及其突变蛋白的结构和光谱分析表明，这两个残基对于底物和水分子的正确定位以及脂肪酸羧酸盐被1FAD*氧化（野生型FAP中约300 ps）形成FAD●-(步骤2)至关重要。时间分辨的红外光谱表明，脱羧发生在这个正向电子转移的准瞬间，与量子化学计算预测的不需要活化能的键裂解和时间分辨晶体学获得的快照一致。在H2O和D2O缓冲液中的瞬时吸收光谱表明，来自FAD●-的反向电子转移与可交换质子或氢原子的转移耦合并受到后者的限制（步骤3）。出乎意料的是，伴随着FAD●-在100纳秒内的再氧化（到红移形式的FADRS），大部分的CO2产物被转化，很可能转化为碳酸氢盐（从冷冻的FADRS中间体的FTIR光谱推断）。计算表明，这种催化转化涉及一个活性位点水分子。
结合光谱、生物化学、晶体学和计算研究阐明FAP光循环。图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abd5687。
冷冻-傅里叶变换红外光谱研究表明，在碳酸氢盐形成（步骤4）之前是精氨酸残基的去质子化（步骤3）。在室温下，剩余的二氧化碳在1.5μs内离开这种蛋白（步骤4ʹ）。从时间分辨和低温结晶学数据得出的电子密度图中观察到接近C432的残余电子密度，这表明该残基可能在稳定CO2和/或碳酸氢盐方面起作用。通过量子化学计算确定了烷烃形成的三条路线；图中所示的一条路线获得一系列实验数据的支持。
综上所述，这些作者对FAP的光驱动碳氢化合物的形成进行了详细而全面的表征， FAP使用了非常复杂的机制，包括独特的催化步骤。他们预计，这些研究结果将有助于扩展绿色化学工具包。（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
D. Sorigué et al. Mechanism and dynamics of fatty acid photodecarboxylase. Science, 2021, doi:10.1126/science.abd5687.
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