《Nature Chem.》：稳定自由基的合成蛋白，开启自由基化学新天地

如今科学技术的发展，已经使各个学科之间的界限变得越来越模糊。生物化学和有机化学也是这样，比如X-MOL曾报道过的DNA和酶蛋白作为有机反应催化剂等（相关阅读：《JACS》：DNA催化酰胺水解；酶催化的科尔贝-施密特反应）。最近的一期《Nature Chemistry》，又刊登了一篇来自加州大学旧金山分校William F. DeGrado实验室的文章，报告了他们设计的一种金属蛋白（metalloprotein），竟然可以稳定在水中极不稳定的自由基！这是一个令人激动的进展，因为这是朝着收集自由基来启动有机反应所迈出的重要的第一步。而这种操控自由基的能力，之前只有在自然界中的一些氧化还原蛋白和酶中存在。（Designed metalloprotein stabilizes a semiquinone radical. Nature Chemistry, DOI: 10.1038/nchem.2453）

DeGrado实验室新合成的这种金属蛋白被称为DFsc-Zn(II)2，它可以结合并稳定3,5-二叔丁基邻苯二酚（QH2）的半醌阴离子形式自由基。该团队之所以选择这个自由基，是因为以前的研究证明二价锌离子可以在有机溶液中改变半醌自由基的氧化还原性质。DeGrado和同事们早些时候曾设计了一种四螺旋的蛋白质，它包含两个三价铁离子。他们推测将该蛋白质中的铁离子替换成二价锌离子也许能够使它可以在水中稳定自由基。他们在这篇文章中的工作证实了这个推测。研究人员还使用光学光谱、电子顺磁共振光谱、核磁共振光谱、氧化还原滴定和模型计算等各种方法来研究其具体的工作机理。

这种自由基（SQ•–）实际上是一个所谓的氧化还原三元体中具有高度活性的中间体，它可以通过QH2失去一个电子或3,5-二叔丁基邻苯醌（Q）得到一个电子而形成。这种新的金属蛋白可以在自由基通过还原或氧化反应形成后，迅速将其护送进入一个与其结合的口袋。由于自由基和蛋白质的相互作用非常稳定，以致于这种自由基在生成后并不与水分子发生反应。

该团队的研究人员发现，该有机自由基在与两个二价锌离子结合后，正如预测那样保持稳定，因为该自由基的疏水基团叔丁基被埋在蛋白质的疏水结构中，从而保护它们不与水接触。

加州大学圣地亚哥分校的无机化学家Akif Tezcan和他的博士后Jon Rittle都表示，这项研究“在蛋白质设计领域开辟了一个重要的先例”。不过，“它真正的影响，是由作者或者别人以之为起点能做什么而决定的”，例如，他们希望看到这种方法是否可以收集自由基从而激活新的化学反应。

Tezcan和Rittle也说，天然的氧化还原蛋白可以稳定地保持这种氧化还原三元体的所有三种状态，而且无需金属中心，“实现同样功能将是一个令人兴奋的未来发展方向”。

1. http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/full/nchem.2453.html

2. http://cen.acs.org/articles/94/i8/Designed-Protein-Shelters-Radical.html