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研究背景

Iminium催化是有機(jī)催化中一種重要的反應(yīng)機(jī)制，通過形成Schiff堿中間體，能夠有效地加速多種反應(yīng)，尤其是在Diels-Alder反應(yīng)中展現(xiàn)了巨大的潛力。然而，在天然酶中，Iminium催化的應(yīng)用尚未被廣泛報道。Diels-Alder反應(yīng)作為一種經(jīng)典的[4+2]環(huán)加成反應(yīng)，在復(fù)雜天然產(chǎn)物的合成中具有重要作用。盡管許多天然Diels-Alder酶已被發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行了研究，絕大多數(shù)都通過氫鍵催化或形狀互補(bǔ)機(jī)制來加速反應(yīng)，這些酶的催化機(jī)制普遍未涉及Iminium中間體。在有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，Iminium催化已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種環(huán)加成反應(yīng)，尤其是在合成復(fù)雜分子時表現(xiàn)出色。然而，這種催化機(jī)制在生物催化中的研究仍然相對較少。自然界中是否存在利用Iminium催化機(jī)制加速Diels-Alder反應(yīng)的天然酶，仍然是一個未解之謎。

成果簡介

基于此，加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校唐奕教授和K. N. Houk教授、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院周佳海研究員等人合作提出了SdnG催化Diels-Alder反應(yīng)的策略，實現(xiàn)了酶催化反應(yīng)速率的顯著提升。該研究以“Iminium catalysis in natural Diels–Alderase”為題，發(fā)表在《Nature Catalysis》期刊上。

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作者簡介

唐奕教授，本科畢業(yè)于賓夕法尼亞州立大學(xué)，在David A. Tirrell教授的指導(dǎo)下完成博士學(xué)業(yè)，在Chaitan Khosla教授的指導(dǎo)下完成了博士后的工作。他目前是加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校化學(xué)與生物分子工程系的校長教授。他獲得的獎項包括美國化學(xué)工程師協(xié)會（AIChE）Allan P. Colburn獎（2009年）、美國化學(xué)學(xué)會（ACS）生物化學(xué)技術(shù)分會（BIOT）青年研究員獎（2011年）、ACS Arthur C. Cope學(xué)者獎（2012年）、EPA總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎（2012年）、NIH DP1主任先鋒獎（2012年）、ACS Eli Lilly生物化學(xué)獎（2014年）和工業(yè)微生物學(xué)和生物技術(shù)學(xué)會Charles Thom獎(2019)。在Nature、Science、Nature Chemical Biology、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Intl. Ed. 、PNAS等高水平專業(yè)期刊上發(fā)表論文100余篇，H指數(shù)46，引用次數(shù)1W+。

研究亮點

1、本文首次揭示了天然Diels-Alder酶SdnG通過Iminium催化加速Diels-Alder反應(yīng)的機(jī)制，為理解自然界中的Iminium催化提供了新的視角。

2、通過X射線晶體學(xué)和計算模擬，研究表明SdnG的活性位點賴氨酸（K127）與底物形成Schiff堿中間體，從而促進(jìn)Diels-Alder反應(yīng)的發(fā)生。

3、該研究不僅揭示了天然酶的獨特催化機(jī)制，還為未來設(shè)計Iminium催化的生物催化劑提供了理論基礎(chǔ)，具有廣泛的工程應(yīng)用前景。

圖文導(dǎo)讀

圖1 SdnG催化的Diels-Alder反應(yīng)中的Iminium催化機(jī)制

圖1展示了SdnG催化的Diels-Alder反應(yīng)中的Iminium催化機(jī)制。圖中詳細(xì)說明了酶SdnG如何通過與底物的反應(yīng)形成Iminium中間體，從而促進(jìn)Diels-Alder反應(yīng)。SdnG通過賴氨酸K127殘基與底物中的醛基形成Schiff堿中間體（Iminium）。該反應(yīng)路徑通過計算和實驗方法得到了驗證，并且展示了Iminium催化反應(yīng)如何通過降低過渡態(tài)能量（ΔG?）來加速反應(yīng)。在該圖的結(jié)構(gòu)示意中，顯示了賴氨酸K127如何與底物的醛基發(fā)生親核攻擊，形成具有增強(qiáng)電子親和力的中間體，進(jìn)而大幅度降低過渡態(tài)的能量。這一過程的最大特點是通過氨基酸殘基的空間位置和電荷分布，SdnG催化的反應(yīng)速率得到了約560倍的提升。圖中還展示了計算模擬得到的過渡態(tài)能量變化，證明了Iminium中間體相較于其他反應(yīng)中間體更有助于反應(yīng)的快速進(jìn)行，進(jìn)一步揭示了賴氨酸在催化過程中所起的核心作用。

圖2 SdnG與底物3和產(chǎn)物4的晶體結(jié)構(gòu)

圖2展示了SdnG與底物類似物3的晶體結(jié)構(gòu)，通過高分辨率的X射線晶體學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗證了Iminium催化機(jī)制的可行性。圖中詳細(xì)描繪了SdnG酶的整體結(jié)構(gòu)以及底物類似物3在酶的活性位點中的結(jié)合方式。圖中的SdnG蛋白呈二聚體結(jié)構(gòu)，其中每個亞單位的活性位點能夠與底物3結(jié)合。特別是在底物結(jié)合的部分，圖中顯示了賴氨酸K127與底物的醛基之間的電荷相互作用，幫助底物精確地定位到反應(yīng)所需的構(gòu)象。底物類似物3的結(jié)合方式揭示了SdnG如何通過多種相互作用（例如氫鍵、靜電作用等）保持底物的穩(wěn)定性，同時使其處于理想的反應(yīng)構(gòu)象。通過進(jìn)一步分析，圖2揭示了SdnG酶的活性位點內(nèi)有多個氨基酸殘基與底物進(jìn)行相互作用，增強(qiáng)了酶與底物之間的親和力并促進(jìn)了反應(yīng)的發(fā)生。

圖3 亞氨基在SdnG中催化作用的生化證據(jù)

圖3展示了通過生化實驗驗證Iminium催化機(jī)制的證據(jù)。該圖通過質(zhì)譜分析和突變體研究進(jìn)一步確認(rèn)了賴氨酸K127在SdnG催化中的關(guān)鍵作用。圖中的實驗數(shù)據(jù)表明，當(dāng)SdnG的K127位點被突變?yōu)锳la（K127A）時，酶的催化活性顯著下降，表明K127的存在對催化反應(yīng)至關(guān)重要。此外，通過與底物3和產(chǎn)物4的相互作用，圖中展示了如何利用NaBH₄還原中間體，進(jìn)一步捕捉并穩(wěn)定Iminium中間體。質(zhì)譜分析結(jié)果清晰地顯示，K127突變體未能形成預(yù)期的Iminium中間體，而野生型酶則能夠有效地與底物形成Schiff堿中間體。通過這一實驗，研究人員不僅驗證了賴氨酸K127在Iminium催化中的角色，還揭示了酶催化反應(yīng)中的關(guān)鍵中間體。圖3還進(jìn)一步展示了突變體在不同條件下的催化活性，突變K127的酶幾乎失去了對Diels-Alder反應(yīng)的催化能力，證明了賴氨酸殘基在催化反應(yīng)中起著無可替代的作用。

圖4 SdnG的作用機(jī)制

圖4 展示了SdnG催化Diels-Alder反應(yīng)的作用機(jī)制。圖中基于計算模擬與實驗數(shù)據(jù)，提出了一種全新的催化機(jī)制，闡明了SdnG如何利用賴氨酸K127形成Iminium中間體來降低過渡態(tài)能量，從而加速反應(yīng)。圖4通過展示SdnG與底物及產(chǎn)物之間的相互作用，提出了一個具體的反應(yīng)路徑，其中Iminium中間體在反應(yīng)過程中扮演了重要角色。圖中詳細(xì)分析了通過氫鍵網(wǎng)絡(luò)和酶的活性位點形成的催化環(huán)境，如何有效地促進(jìn)底物的定位和反應(yīng)的順利進(jìn)行。通過對比其他催化機(jī)制，圖4強(qiáng)調(diào)了Iminium催化相較于其他機(jī)制具有更低的過渡態(tài)能量，進(jìn)而顯著提高了反應(yīng)速率。研究人員通過密度泛函理論（DFT）計算，揭示了通過賴氨酸K127和底物形成Iminium中間體能夠有效降低過渡態(tài)的能量，為反應(yīng)的快速進(jìn)行提供了條件。

總結(jié)展望

本研究不僅揭示了SdnG在催化Diels-Alder反應(yīng)中的新機(jī)制，還為未來設(shè)計基于Iminium催化的生物催化劑提供了理論依據(jù)。通過深入的結(jié)構(gòu)和計算分析，研究表明SdnG利用賴氨酸殘基形成Iminium中間體，顯著加速了反應(yīng)速率。這一發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步理解自然界中的酶催化機(jī)制提供了新的思路，并為生物催化劑的設(shè)計和優(yōu)化提供了新的方向。此外，本文還展示了如何將這一催化策略擴(kuò)展到其他反應(yīng)類型，為開發(fā)更為高效和可持續(xù)的催化方法提供了可能。

文獻(xiàn)信息

Iminium catalysis in natural Diels–Alderase. Nature Catalysis

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2025/02/11/9d1370c4ef/

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