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生物工程学院倪晔教授团队揭示醇脱氢酶立体选择性识别双芳基酮的催化机制

发布日期:2018-10-26  来源:生工学院   文:周婕妤、倪晔;审核:饶志明、黄壮霞

光学纯的双芳基醇是一类重要的手性砌块化合物,可通过不对称还原其酮底物而获得。双芳基酮化合物具有两个大位阻的芳基侧链,通常被称为“难还原”酮类。近日,生物工程学院倪晔教授团队采用“极性扫描”策略(polarity scanning),获得立体选择性显著提高和反转的醇脱氢酶突变株,并通过蛋白质晶体结构解析和分子动力学模拟,提出了醇脱氢酶KpADH在立体选择性识别并催化双芳基酮底物时的“极性门”机制。研究成果以Structural Insight into Enantioselective Inversion of an Alcohol Dehydrogenase Reveals a “Polar Gate” in Stereorecognition of Diaryl Ketones为题于9月24日发表于美国化学学会期刊Journal of the American Chemical SocietyJACS, 2018, 140: 12645–12654)。江南大学博士生周婕妤为论文的第一作者,中科院上海有机所周佳海研究员为共同通讯作者。

针对底物具有两个大位阻芳环的特点,提出了“极性扫描”策略(polarity scanning),分别使用天冬酰胺Asn和缬氨酸Val作为极性和非极性筛子,获得立体选择性显著提高的突变株Mu-R2(99.2%eeR)和立体选择性翻转的突变株Mu-S5(97.8%eeS)。为研究酶催化的立体选择性识别机制,对野生型KpADH及两个突变体进行蛋白质结晶和晶体结构解析。根据醇脱氢酶的反应机制及过渡态分析,选择距离参数d(O14CPMK-H9Y164) ≤3.4 Å和d(C7CPMK-H4NPH) ≤4.5 Å衡量突变体与底物可否形成预反应状态,结果表明Mu-R2-CPMKProR及Mu-S5-CPMKProS更易达到预反应状态。约束条件下的动力学模拟结果显示,对于突变体Mu-S5,其底物结合口袋入口处突变位点N136,V161,C237和G214的α-碳原子可形成类平面的“极性门”。由于底物潜手性碳两侧氯苯环和吡啶环的带电差异,在催化过程中底物的方向在其穿过“极性门”时即被决定。对于野生型KpADH,类似的平面被周围芳香族氨基酸残基的侧链阻挡,从而使底物在接近催化中心时无法保持单一方向。研究采用“极性扫描”筛选策略对醇脱氢酶的立体选择性进行改造,基于蛋白结构解析和分子动力学计算提出了醇脱氢酶立体选择性识别并催化双芳基酮底物中的“极性门”机制。

图1醇脱氢酶KpADH立体选择性还原双芳基酮底物的催化机制解析

(A)WT-CPMKProR;(B)Mu-S5-CPMKProS


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