C-H键功能化，再登Nature！
学术
2025-01-31 11:15
江西
2025开年以来，继1月8日，C-H键功能化首登Nature之后，仅隔21天，C-H键功能化再登Nature！碳-氢键(C-H)基本上是每一个有机分子的基础，使它们成为进行化学合成的理想场所。关键的挑战是实现一个特定的C(sp3)-H键的选择性。近年来，发现金属酶具有C(sp3) - H键功能化功能。尽管在过去二十年中取得了实质性进展，但仅在非血红素铁/α-酮戊二酸依赖的卤化酶中实现了未激活C(sp3) -h的酶卤化和假卤化，这为进一步修饰提供了功能柄，因此受到这些酶可能的化学性质的限制。在此，来自美国加州大学洛杉矶分校的Masao Ohashi & 唐奕等研究者报道了一种以前未知的卤素酶ApnU的发现和表征，它是含有未知功能域3328（DUF3328）的蛋白质家族的一部分。相关论文以题为“Copper-dependent halogenase catalyses unactivated
C−H bond functionalization”于2025年01月29日发表在Nature上。碳–氢（C–H）键卤化是一种极具实用价值的反应，因为生成的碳–卤（C–X）键可作为交叉偶联反应和官能团转化的重要化学基团。此外，在药物分子中引入卤素还能增强其对靶蛋白的结合亲和力，提高生物利用度。为此，人们已开发出多种向有机分子中引入卤化物（F−、Cl−、Br−、I−）或类卤化物（N3−、CN−、SCN−）的策略。然而，利用有机金属催化剂实现卤化反应的区域和立体选择性控制，仍然是一项重大挑战。为解决这一难题，酶催化 C–H 键卤化，已成为一种极具吸引力的选择性调控策略。尽管科学家已通过蛋白工程改造黄素依赖型卤化酶，使其能够催化 C(sp2)–H 键的卤化，并适用于多种底物，但对 C(sp3)–H 键进行酶催化卤化仍然面临较大挑战。目前，非血红素铁/α-酮戊二酸依赖型卤化酶（NHFeHal）是唯一被证实可催化未活化 C(sp3)–H键卤化的酶家族。该类酶的催化机理与非血红素铁/α-酮戊二酸依赖型羟化酶类似，其 C(sp3)–H 键卤化反应遵循金属酶催化 C(sp3)–H 官能化的经典“回弹”机制（图 1a）。具体而言，活性位点的铁中心在底物、卤化物和氧气结合后，转化为高价卤氧铁（X–FeIV=O）物种，该物种可实现氢原子抽取，形成底物自由基。随后，该自由基可与顺式卤羟铁（X–FeIII–OH）中的卤化物（X）发生“回弹”反应，最终生成卤化产物（R–X）（图 1b）。利用 NHFeHals 的回弹机制，人们已成功在未活化碳中心引入多种类卤化物（pseudohalides），包括叠氮（N₃⁻）、硝酸根（NO₂⁻）和氰酸根（OCN⁻）等。然而，目前尚未实现更广泛的卤化物或类卤化物（如氟（F⁻）、碘（I⁻）、氰（CN⁻）和硫氰（SCN⁻））的引入，这可能是由于配体与金属中心的不相容性，或自由基回弹过程中能垒过高所致。这两个因素都与NHFeHals中铁中心的本质密切相关。因此，为了拓展酶催化 C(sp³)–H 卤化的适用范围，寻找依赖非铁金属的 C(sp³)–H官能化酶已成为备受期待的研究方向。在此，研究者报道了一种此前未知的卤化酶 ApnU，其属于一个含有未知功能结构域 3328（DUF3328）的蛋白家族。ApnU 在其活性位点利用铜作为催化中心，能够对多个未活化 C(sp³)−H 键进行迭代氯化。得益于铜中心较软的配位特性，研究者进一步发现，ApnU 还可催化 C(sp³)−H 键的碘化和硫氰化，这一功能性修饰在酶催化体系中尚属首次报道。通过生化表征和蛋白质组学分析，研究者确定 ApnU 的功能性寡聚态为共价连接的同源二聚体，其中包含三对必需的二硫键（一对位于链间，两对位于链内）。电子顺磁共振（EPR）光谱分析表明，ApnU 的活性位点由双核II型铜中心组成。这一发现不仅拓展了 C(sp³)−H 卤化酶的催化能力，也为双核铜依赖型氧化酶家族提供了重要的基础认识。图3 功能性ApnU的表征揭示了一个二硫键连接的同二聚体。综上所述，研究者发现了并对一种此前未知的卤化酶 ApnU 进行了生化表征，该酶属于真菌蛋白 DUF3328 家族的一个大型分支。ApnU 依赖铜作为催化中心，能够对其天然底物阿托潘素B（atpenin B，1）进行迭代 C(sp³)-H 氯化。ApnU结构中含有保守的双 HXXHC 基序，该基序在 DUF3328 家族的其他蛋白中也有发现，可能通过与两价铜离子（Cu(II)）形成配位作用，构成其金属结合位点，这一点已通过电子顺磁共振（EPR）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）证实。ApnU 的铜中心赋予其前所未有的 C(sp³)-H键功能化能力，而这种活性是铁基卤化酶所无法实现的。虽然黄素依赖型卤化酶已被报道可催化C(sp²)-H 键的区域选择性碘化，但ApnU除了能催化 C(sp³)-H 键的区域选择性碘化外，还可实现硫氰化（SCN-）和硒氰化（SeCN-），进一步拓展了酶催化 C-H官能化的反应范围。尽管铁依赖型酶具有卓越的催化能力，并在人工进化方面展现出极高的潜力，例如最近的研究已将非血红素铁酶工程化以催化自由基氟化，但本研究发现的铜依赖型酶从根本上改变了C(sp³)-H官能化酶的反应范围。本研究为探索这一DUF3328金属酶家族提供了关键的研究框架，并为挖掘其尚未开发的新酶功能奠定了基础。Chiang, CY., Ohashi, M., Le, J.et
al. Copper-dependent halogenase catalyses unactivated C−H bond
functionalization. Nature (2025).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08362-4原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08362-4🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
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