背景
[4Fe-4S]依赖性的自由基S-腺苷甲硫氨酸（SAM）是氧化还原酶超家族之一，其参与生物体各种氧化还原过程。传统的SAM酶通过[4Fe-4S]+催化S-C5'键的还原性裂解，生成5′-脱氧腺苷自由基（5′-dAdo）。而一些特殊的SAM酶，如Dph2酶选择性地断裂S-C(γ)键，生成3-氨基-3-羧丙基自由基物种（ACP）。尽管人们对SAM酶的结构和功能的关系进行了广泛的研究，但这些酶中[4Fe-4S]+的电子自旋状态如何调控氧化还原过程仍不清楚。
内容
厦门大学王斌举教授团队基于对称性破缺密度泛函理论的量子力学/分子力学组合方法（BS-DFT/MM），系统研究了Dph2的完整催化循环机理。通过系统考察[4Fe-4S]+六种不同电子态的反应性质，理论研究发现S-C(γ)键还原裂解高度依赖于[4Fe-4S]+的电子自旋状态。有趣的是，六种电子自旋状态可根据S-C(γ)键断裂能垒的高低大致分为高能垒组和低能垒组。
作者发现反应势垒的高低与Fe4（与SAM配位）原子的自旋方向高度相关。由于泡利不相容原理，Fe4原子的净自旋调控与其相反自旋的电子从[4Fe-4S]+转移到C(γ)原子上。这种自旋调节的电子转移一方面能够促进[4Fe-4S]簇的交换相关作用（如下图a中，Fe3失去一个自旋向上的电子后其d轨道能获得最大的交换相关能），而另一方面，与Fe4净自旋相反的电子转移到C(γ)原子后，该电子可以进一步与Fe4成键，形成Fe4-C(γ)稳定ACP自由基。基于本研究的理论认识，作者进一步推测传统SAM酶中由于无Fe4-C键的生成，S-C5'键的还原性裂解所需的电子将直接来源于Fe4，从而促进Fe4上的自旋交换作用。
在该工作中，王斌举教授团队利用多尺度模拟的方法，成功解释了自由基SAM酶中自旋以及交换作用调控的氧化还原机制，为理解自由基SAM酶的催化机制和仿酶催化剂的设计提供了理论参考。以色列希伯来大学Sason Shaik教授参与了文章的讨论修改，是文章的共同通讯作者。感谢自然科学基金的支持以及天津大学董敏教授的宝贵建议。
原文刊载于【遇见生物合成】公众号
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