全文概要

美国伊利诺伊大学香槟分校的Lisa Olshansky研究团队报道了一种基于吡咯喹啉醌（PQQ）与稀土离子（Ln³⁺）的人工金属酶（ArM），该酶模拟天然醇脱氢酶（ADH）的结构与功能，能够催化苯甲醇氧化为苯甲醛。研究通过动力学、结构分析与分子动力学模拟，揭示了该酶的催化机制、金属离子依赖性以及底物通道的动态调控机制。

本文要点

1. 催化机制验证：
通过线性自由能关系（LFER）与动力学同位素效应（KIE）研究，支持反应遵循氢负离子转移机制（KIE = 2.9 ± 0.4），而非加成-消除路径；底物对位给电子基团可提升反应速率。

2. 稀土离子依赖性：
ArM可结合多种稀土离子（Y³⁺至Lu³⁺），结合常数在亚微摩尔级别；催化活性随离子路易斯酸性增强而降低，与天然ADH在使用天然氧化伴侣时的趋势一致。

3. 结构动态调控：
X射线晶体结构与分子动力学模拟显示，活性位点附近的Y161残基通过氢键与结构水分子调控底物通道；Y161W突变虽增强PQQ结合，却因通道阻塞导致活性丧失。

4. 与天然酶对比：
与天然ADH不同，该ArM在催化中无需氨添加剂，表明氨在天然体系中可能仅辅助电子传递，而非直接参与催化。

5. 应用与意义：
该ArM为研究天然PQQ依赖型ADH的机制提供了可控模型，揭示了金属离子特性、结构动态与催化效率之间的内在关联。

文献详情
Mohd Taher, Peter J. Thompson, Carlos Nava-Matadamas, et al. Mechanistic Interrogation of a PQQ and Rare Earth-Dependent Artificial Metallocenzyme, J. Am. Chem. Soc. (2025) DOI: 10.1021/jacs.5c08540

全文链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c08540