JACS：非血红素亚铁离子/α-酮戊二酸依赖性加氧酶也能催化环氧化反应

环氧（环氧乙烷）官能团广泛分布在具有广泛生物活性的天然产物中，包括抗菌，抗真菌，抗病毒和抗肿瘤活性。此外，引入环氧基团是实现结构和功能多样性的重要且有用的合成策略。自然界，有两种引入环氧化物的策略，即通过在两个相邻碳上裂解C-H和O-H键进行脱氢；以及在底物的烯烃部分上反应插入氧原子，也称为氧原子转移（OAT）。对于这两种策略，分子氧（O2）和某些情况下的过氧化氢被用作氧化剂，氧源，起着双重的作用。通常，基于黄素，硫醇盐-血红素，非血红素二铁，或非血红素单核铁的高活性中间体引发环氧化反应。通过将氧原子插入烯烃部分来催化的环氧化反应的机理理解，主要是基于对含硫醇盐-血红素的环氧化酶（如胆过氧化物酶（CPO）和细胞色素P450s）的研究。阳离子触发的膦酰基迁移也有报道。非血红素铁-酶催化的环氧化的分子基础研究较少。

来自卡内基梅隆大学化学系的郭以崧和Maria G. Kurnikova课题组，台湾大学Nei-Li Chan课题组，北卡罗来纳州立大学Wei-chen Chang课题组，联合在JACS上发表了非血红素依赖的加氧酶AsqJ催化环氧化反应的研究工作。文章以AsqJ为例，通过多种方法包括酶促反应的LC-MS分析，瞬态动力学，光谱表征，Mössbauer和电子顺磁共振（EPR），X射线晶体学，密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟等相结合研究了非血红素铁-酶催化的环氧化反应的详细机理，。

在这项研究中，使用天然底物2-OMe和几种吸电子或给电子能力不同的对位取代的底物类似物（2-H，2-F和2-CF3）研究了AsqJ催化的环氧化。作者发现AsqJ催化的环氧化反应中反应速率确定步骤的过渡态中没有明显的电荷分离（例如阳离子种类）。通过LC-MS获得的反应产物分析和晶体学数据进一步支持了这些实验观察。当在稳态转化条件下进行酶促反应时，无论使用哪种化合物，LC-MS分析均显示出相似的底物消耗和产物形成水平。在其中一种晶体结构中观察到Fe-醇盐物种为逐步环氧化机理提供了重要的支持，在这种方法中，Fe（IV）-氧代中间体对烯烃部分的初始攻击发生在苯甲基的（C10）位置。该观察结果也与底物结合的晶体结构一致，后者显示出Fe和C10位置之间的距离比Fe和C3位置之间的距离更短（4.4相对于5.0）。此外，计算还表明，在最初的环氧化物形成过程中，环氧化物可能直接与铁中心配位，并且它与铁中心的解离可能取决于环氧化物产物与蛋白质残基（最可能是Asn70）之间的氢键相互作用，以及额外的水分子靠近铁中心。最终，MD模拟支持了这样一种情况，即最初将O2添加到铁中心的过程可能是2OG在线绑定到铁中心的模式，而不是晶体结构中出现的离线模式。这很可能是由于底物的结合，提供了疏水环境以促进将O2添加到铁中心。当2OG在在线模式下结合到铁中心时，会更有效地形成这种疏水性环境。

综上所述，所有的实验和计算结果都提示了AsqJ催化环氧化反应的逐步机理。从Fe（IV）-氧代物质到发生在苄基位置的底物的烯烃部分的初始氧加成，最有可能的是随后生成的Fe（III）-烷氧化物与C3位置的碳自由基，随后的C3-O键形成完成了环氧的形成。