乙烯是植物中一种重要的信号分子，可以触发叶片、花朵和果实的生长。参与乙烯生物合成的酶之一是乙烯形成酶（EFE），它是一种常见的非血红素铁酶，可将α-酮戊二酸生物降解为三个CO2分子和乙烯。由于EFE在乙烯生物合成中的详细机制仍然存在争议，尤其是共底物L-精氨酸的功能，The University ofManchester的Sam P. de Visser团队决定对乙烯生物合成酶可能的催化途径进行密度泛函理论研究，并测试可能的途径和催化机制。
图片来源：ACS Catal.
首先，研究人员建立了一个由322个原子组成的大型活性中心簇模型，该模型包含了活性中心和底物（α-酮戊二酸）结合口袋的第一和第二配位球的所有特征。
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随后，通过计算确定了一种过琥珀酸中间产物，它会触发酶中的分叉路径，或者与二氧化碳分子反应形成碳酸盐，或者通过杂化氧键断裂形成高价铁（IV）-氧物种。
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研究表明，这两条分叉路径再次汇聚到同一个中间体，并可能产生乙烯，尽管这两条路径具有不同的动力学。
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研究还表明，铁（IV）-氧本身可以形成碳酸盐和乙烯，但需要通过更高的能垒才能实现。事实上，这些能垒高于典型的脂肪族羟基化能垒，可能不会与精氨酸羟基化产生竞争性。将L-精氨酸共底物纳入模型会导致酶的结构和折叠发生微小变化，但其电荷和偶极矩似乎不会影响催化循环的第一阶段。此外，关键的激活屏障似乎较少受到L-精氨酸加入模型的影响。因此，L-精氨酸的作用可能是将α-酮戊二酸及其产物锁定在紧密结合的口袋中，以使其降解并防止二氧化碳的早期释放。由于不同精氨酸激活的非血红素铁双加氧酶在共底物结合口袋中的α-酮戊二酸定位和其在EFE中更紧密的结合之间存在显著差异，预测在氧激活机制的第一阶段二氧化碳的释放被阻止。这使得二氧化碳攻击过琥珀酸盐络合物，形成碳酸盐产物，从而形成乙烯。
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总之，这项工作为将EFE转化为羟化酶或改善乙烯生物合成奠定了理论基础。
参考文献：Cluster Model Study intothe Catalytic Mechanism of α‑Ketoglutarate Biodegradation by the Ethylene-Forming Enzyme Reveals Structural Differences with Nonheme Iron Hydroxylases
ACS Catal.
DOI: 10.1021/acscatal.1c04029
原文作者：C.-C.George Yeh,∥Sidra Ghafoor,∥Jagnyesh Kumar Satpathy, Thirakorn Mokkawes, Chivukula V. Sastri, and Sam P. de Visser*
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