【Turbomole应用实例】中国人大赖文珍老师成果展示：钴取代同型儿茶酸酯的反应机理2,3-双加氧酶：QM/MM研究

摘要：

采用量子力学/分子力学(QM/MM)计算方法研究了钴取代的同原儿茶酸2,3-双加氧酶(Co-HPCD)与富电子底物同原儿茶酸(HPCA)和低电子底物4-硝基儿茶酚(4NC)的反应机理。结果表明，以4NC为底物时，Co-O2加合物具有CoIII-O2•−性质的双基态，与EPR光谱实验结果吻合较好。Co-HPCD/4NC的活性氧为双态CoIII-O2•−, Co-HPCD/HPCA的活性氧为四态SQ•↑-CoII-O2•−↓，表明底物在Co-HPCD的双氧活化中起重要作用。B3LYP被发现高估了Co-HPCD中的限速屏障。TPSSh预测Co-HPCD/4NC和Co-HPCD/HPCA的障碍分别为21.5和12.0kcal/mol，这与底物从HPCA变为4NC时反应速率降低的事实一致。

 

引言：

儿茶酚双加氧酶催化底物芳香族环的裂解，将两个二氧原子并入产物，协助芳香族化合物的降解。

 

含铁酶Fe-HPCD已被量子力学(QM)和QM/MM方法广泛研究。在我们之前的QM/MM研究中，当使用原生底物HPCA时，SQ•-FeII-O2•−/FeIII-O2•−是反应种，而对于替代底物4NC,11FeIII-O2是反应种。因此，底物被认为在Fe-HPCD的二氧活化中起着重要作用。Siegbahn等对Mn-MndD的QM研究表明，SQ•-MnII-O2•−是反应性物质与我们对含非血红素铁(II)酶的了解相比，对钴酶的了解相对较少。目前尚不清楚Co- hpcd的高电位Co(II)中心是如何进行二氧活化和外二醇裂解的。目前尚不清楚Co- hpcd的高电位Co(II)中心是如何进行二氧活化和外二醇裂解的。正如我们应该证明的那样，对于Co-HPCD和4NC，活性氧是双态CoIII-O2•−，而对于Co-HPCD和HPCA，活性氧是四态SQ•-CoII-O2•−。

 

计算方法：

QM/MM方法

所选择的QM/MM方法与我们之前对Fe-HPCD的研究中所使用的方法类似，因此这里只提到了基本特征。Co-hcd的Co-O2加合物是由我们之前对Fe - hcd的QM/MM研究中相应的Fe-O2加合物生成的，用钴取代铁。所有QM/MM计算均使用ChemShell结合Turbomole和DL_POLY.进行应用电子嵌入方案来包括酶环境对QM区域的极化效应。采用带有电荷位移模型的氢键原子来处理QM/MM边界。QM部分采用密度泛函理论(DFT)， MM部分采用CHARMM力场。几何优化使用混合b3lyyp22 24函数结合双ζ SV(P)25基集(B1)。

 

过渡态(TSs)被确定为沿反应坐标的势能面(PES)上的最高点，在过渡态附近用0.02 Å的小步长扫描。所有QM/MM能量扫描都收集在支持信息(SI)文档中。通过使用更大的全电子基集B2，即所有原子的Def-TZVP26，单点计算修正了能量。此外，利用DFT-D3程序在单点计算中实现了经验色散校正结果表明，色散修正对反应中关键组分的相对能量影响不大。然后结果就会被提交给SI。

 

QM区域和活动区域

QM区域如图1所示，包括两个组氨酸(His155和His214)和底物的第一配位球残基，以及第二配位球残基(His200、His248、Trp192、Asn157、Tyr257和Arg243)。

 

组氨酸模型为甲基咪唑,Glu267为CH3COO,Trp192为吲哚,Asn157为CH3CONH2, Arg243为甲基胍,Tyr257为苯酚。QM/MM几何优化的活跃区域包括核心区域(铁氧及其第一配位球)以及核心区域6 Å内的所有残基和水分子。详细信息在SI中给出。

 

实验与讨论：

Co-O2加合物的性质

图2显示了Co-HPCD与4NC的不同Co-O2加合物的电子结构和相对能量。考虑了两种不同的构象(图2a):在A1中，第二球His200残基与衬底的OC2原子形成氢键。而在A2中，His200与Co-O2部分的近端氧形成氢键。我们的结果表明，具有CoIII-O2•−特征的双态是A1和A2构象的基态，其唯一的未配对电子位于O2部分。

此外，利用B3LYP还发现了一种具有SQ•-CoII-O2•−特征、S=1/2CoII中心反铁磁(AF)耦合于超氧自由基(图2b中的2A2)的三根类双态，位于2A1上方20.4kcal/mol。

 

Co-HPCD与4NC的反应机理

由于加合物六重态的二氧解离，因此我们研究了双重和四重势能面上的反应机理。计算机制如图3所示。图3a中描述的双态表面的反应路径与Fe- hpcd的反应路径非常相似反应从二氧加合物2A1开始，它经历了His200残基的氢键重定向，从与底物环的氧原子相互作用，到与二氧部分的近端氧原子形成氢键。从图3b可以看出，四方表面上的反应途径包括三个主要步骤。我们注意到最后两个反应步骤，B E和E P是通过协同机制进行的，这与双态表面的逐步机制不同。

 

Co-HPCD与4NC的能量图如图4所示。我们发现，在B3LYP水平上，与2A2(CoIII-O2)和4A2(SQ•↓-CoII-O2•−↑)相比,4A2(SQ•↓-CoII-O2•−↑)的O O键切割具有最低的势垒，尽管前者具有更高的能量。四烷基过氧基团(4B)的能量比相应的双态低7.8 kcal/mol。

2A2中二氧部分的计算O-O键长(图5f)为1.37Å，这是金属-超氧氧化合物(1.2 1.3Å)和金属-过氧氧化合物(1.4-1.5Å)之间的值。因此，电子结构可以描述为CoIII-O2•−和SQ•-CoIII−O22−.的混合物。

 

Co-HPCD与HPCA的反应途径如图6所示。沿路径的能量变化如图7所示。Co-HPCD与HPCA的催化反应包括三个主要步骤。与Co- HPCD/4NC所提出的机理相似，第一个主要步骤是A2的超氧化物部分对基底的攻击，形成烷基过氧桥种。从图7中可以看出，无论是与B3LYP还是与TPSSh形成烷基过氧基团，4TS1的能量都是其他TSs中最低的。

 

从2A2 (2A2)到2B (2B)的过渡态(TSs)被指定为2TS1 (2TS1)。从2A2和2A2开始，能量扫描坍缩到2A2的势能面(见图8a)。

总结：

本文给出了Co-HPCD与富电子衬底HPCA和贫电子衬底4NC反应机理的QM/MM计算。结果表明，以4NC为底物时，Co-O2加合物具有CoIII-O2性质的双基态，与EPR光谱实验结果吻合较好。反应通过双态表面发生，双态CoIII-O2是反应物种。另一方面，在Co-HPCD/HPCA的情况下，QM部分使用的DFT泛函对双态和四态的相对能量有很大的影响。特别地，B3LYP预测了Co-O2加合物的四态(SQ•↑-CoII-O2•−↓)基态，而TPSSh预测了双态CoIII-O2基态。SQ•↑-CoII-O2•−↓四组分是Co-HPCD/HPCA的活性组分。B3LYP高估了Co-HPCD/4NC和Co-HPCD/HPCA的反应屏障。TPSSh预测Co-HPCD/4NC与Co-HPCD/HPCA的障碍分别为21.5和12.0 kcal/mol，这与底物从HPCA变为4NC时反应速率降低的事实一致。

 

文章详情：10.1021/acs.jpcb.5b00613

 

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