乙烯形成酶（EFE）是一种Fe(II)/2-氧戊二酸(2OG)和L-精氨酸（L-Arg）依赖性加氧酶，主要将2OG分解为乙烯，同时催化L-Arg羟基化。虽然EFE中的羟基化机制与其它Fe(II)/2OG依赖性加氧酶相似，但乙烯的形成是一种独特的机制。
图片来源：ACS Catal.
为了提高EFE中的乙烯产量，可以通过各种重新设计策略实现。对蛋白质环境的综合和多维影响进行准确和全面的描述，以增强金属酶的重新设计策略，特别是在EFE中，这一点至关重要。而这种策略涉及到理解第二配位球（SCS）和长程（LR）相互作用残基、相关运动、电子结构、内电场（IntEF）的作用，以及过渡态和反应中间体的稳定。
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最近，Michigan Technological University的Christo Z. Christov课题组采用基于分子动力学的量子力学/分子力学方法来研究蛋白质环境对来自第一配位球（FCS，D191E）、SCS（A198V和R171A）和LR（E215A）的EFE突变体催化反应的综合影响。该研究揭示了EFE中不同位置的取代如何类似地影响乙烯形成反应，同时对羟基化反应产生不同的影响。结果预测了突变体在控制Fe（II）中心2OG配位模式方面的作用。具体而言，该研究表明，D191E更偏向于在双氧结合之前从离线过渡到在线2OG配位模式。然而，在离线接近双氧和D191E突变体中双氧结合的情况下对2OG翻转的研究表明，在5C Fe（II）状态下，2OG翻转可能不可行。
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计算研究表明，EFE及其突变体（D191E除外）中存在氢原子转移（HAT）辅助氧翻转的可能性。MD模拟阐明了D191E突变体中α7区的特征性动态变化，这可能有助于其羟基化反应的增加。结果表明，D191E突变体中的IM2（Fe（III）-部分键中间体）有可能形成直列铁基。这种来自IM2的替代途径也可能存在于野生型EFE和其他突变体中。
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该研究还揭示了置换对电子结构和IntEF的影响。总的来说，这些计算结果帮助理解蛋白质环境对EFE突变体催化的反应的综合和多维影响，为改进EFE的酶重新设计方案以增加乙烯产量提供了基础。这项研究的结果也将有助于开发其他金属酶的替代重新设计策略。
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原文标题：How Do Variants of Residues in the First Coordination Sphere, Second Coordination Sphere, and Remote Areas Influence the Catalytic Mechanism of Non-Heme Fe(II)/2-Oxoglutarate Dependent Ethylene-Forming Enzyme?
原文作者：Midhun George Thomas, Simahudeen Bathir Jaber Sathik Rifayee, and Christo Z. Christov*
ACS Catal. 2024, 14, 18550−18569
