山东大学李盛英教授团队揭示P450过加氧酶新反应与新机制

导读

近日，依托微生物改造技术全国重点实验室，山东大学李盛英教授团队和高翔教授团队，联合南京师范大学黄和院士团队，首次发现CYP152过加氧酶能够识别2,4-二氯苯酚这一不含羧基基团的底物，并催化邻位羟基化反应。该发现挑战了血红素依赖性H2O2利用酶需要活性位点内的羧基通过酸碱催化激活H2O2的传统认知，同时解锁了该类酶对多种芳烃环境污染物的羟化和脱卤新活性。相关研究结果以“Unexpected Activities of CYP152 Peroxygenases towards Non-carboxylic Substrates Reveal Novel Substrate Recognition Mechanism and Catalytic Versatility”为题，发表在国际权威期刊《德国应用化学》（

Angewandte Chemie International Edition

探索酶的催化混杂性是酶学领域的重要前沿方向。细胞色素P450酶作为自然界催化多样性最高的生物催化剂，在催化有机化合物中多种C-H键的氧官能化反应中表现出色。然而，其体外酶反应往往受限于对昂贵辅酶NAD(P)H的依赖以及复杂的电子传递网络。相比之下，P450过加氧酶（如CYP152过加氧酶）仅需过氧化氢作为辅因子，可在温和条件下选择性氧化有机分子，展现出更广阔的应用前景。

在过去的几十年里，这类P450酶的独特性质引发了酶学领域的广泛关注。尽管P450过加氧酶的底物范围和催化多样性通过酶工程改造已获得显著提升，但传统观点认为其催化活性高度依赖活性位点中羧基官能团通过胍基-羧基配对形成的特异性酶-底物相互作用来激活过氧化氢以生成必要的高反应活性中间体。这一机制导致其底物谱局限于含羧基化合物，如何拓宽该家族酶的底物范围具有重要的基础研究意义和实际应用价值。

本研究通过多类型底物筛选，首次发现2,4-二氯苯酚可直接被几种天然P450过加氧酶识别并氧化。进一步通过构效关系分析、底物通道重塑及关键催化基团突变等实验，揭示了CYP152过加氧酶对卤代酚、硝基酚和氰基酚等多类型不含羧基的芳烃环境污染物的羟化及脱卤新活性。结合晶体结构分析、同位素18O示踪实验、分子动力学模拟及量子力学/分子力学计算，阐明了卤素基团激活底物酚羟基，促进关键催化中间体Compound I的形成，且产物中新生成的羟基来源于水，绕过了经典氧反弹步骤。这一发现首次揭示了P450过加氧酶对非羧酸底物的质子偶联电子转移新机制，拓展了生物催化C-H键活化和C-卤键断裂的反应边界。这不仅为利用P450过加氧酶开展环境修复与污染控制开辟了新思路，而且所构建的简单、高效酶催化体系在降解苯酚类污染物方面展现出巨大的应用潜力，有望推动绿色生物催化技术的可持续发展。

本研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金和博士后面上等科研项目的支持。

论文链接： https://doi.org/10.1002/anie.202506614

来源：微生物改造技术全国重点实验室