生物過程的秘密！利用中子揭示氧化酶蛋白高分辨率結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)！

【手機(jī)軟件：博科園】了解蛋白質(zhì)和酶的行為是解開生物過程秘密的關(guān)鍵，蛋白質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)一般是用X射線晶體學(xué)來研究，然而，氫原子和質(zhì)子(氫離子)的精確信息通常無法獲得。現(xiàn)在，包括大阪大學(xué)、大阪醫(yī)學(xué)院、國(guó)立量子和放射科學(xué)技術(shù)研究所、茨城大學(xué)和筑波大學(xué)在內(nèi)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，利用中子晶體學(xué)揭示了一種非常大的氧化酶蛋白高分辨率結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，其研究成果發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。

構(gòu)成蛋白質(zhì)和酶中大約一半原子的氫原子和質(zhì)子通常在這些生物分子工作中起著關(guān)鍵作用；然而，由于它們的尺寸很小，很難準(zhǔn)確地確定它們的確切位置。研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)最常見的方法是將一束高能X射線對(duì)準(zhǔn)蛋白質(zhì)晶體，并分析X射線與結(jié)構(gòu)中原子的電子相互作用產(chǎn)生的衍射圖案。不幸的是，X射線與氫原子或質(zhì)子的相互作用不強(qiáng)，這些原子或質(zhì)子的電子密度很低，甚至沒有電子密度，因此很難“看得見”。

圖示：(A)銅胺氧化酶的超大晶體；(B)銅胺氧化酶的三維結(jié)構(gòu)，包括氫原子；放大的圖像中心出現(xiàn)了一個(gè)不同尋常的“懸浮”質(zhì)子。

一種解決方案是對(duì)晶體施加中子束，而不是X射線，中子與其路徑上的原子核相互作用，包括氫原子和質(zhì)子的原子核，盡管它們很小。這些相互作用產(chǎn)生的衍射圖案在中子束穿過晶體后被記錄下來，并被解碼到包括氫核在內(nèi)的原子核精確位置。氫原子和質(zhì)子是酶結(jié)構(gòu)中特別有趣的組成部分，因?yàn)樗鼈兛梢员憩F(xiàn)出被發(fā)現(xiàn)對(duì)酶功能至關(guān)重要的量子行為。因此，準(zhǔn)確確定它們?cè)诘鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)中的位置，以便揭開正在發(fā)生的事情是很重要的。

圖示：TOPA醌輔助因子的結(jié)構(gòu)，灰色和淺藍(lán)色網(wǎng)格分別表示氫原子和氘原子的密度。

使用中子結(jié)晶學(xué)，研究人員能夠確定分子量為70600的細(xì)菌銅胺氧化酶結(jié)構(gòu)。對(duì)于中子結(jié)晶學(xué)來說，這是非常大的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了之前記錄的分子量，并且仍然精確地定位了結(jié)構(gòu)中的氫原子和質(zhì)子。在輔因子Topa Quone和這類酶中嚴(yán)格保守的氨基酸殘基之間觀察到了一個(gè)不同尋常的‘懸浮’質(zhì)子。TOPA醌輔助因子共價(jià)結(jié)合在酶上，對(duì)酶的催化作用起著至關(guān)重要的作用。

圖示：銅配位組氨酸殘基的質(zhì)子化狀態(tài)，其中一個(gè)組氨酸殘基完全去質(zhì)子化，如紅色圓圈所示，形成不同尋常的咪唑陰離子。

在發(fā)現(xiàn)Topa醌作為一種蛋白質(zhì)來源的輔因子30年后，研究人員終于能夠建立起它的完整圖景。研究發(fā)現(xiàn)，輔因子實(shí)際上存在于兩種不同形式之間的平衡狀態(tài)。如果能夠完全理解正在發(fā)生的事情，酶活性部位（也就是發(fā)生反應(yīng)的地方）就可以為我們提供大量的信息和靈感。研究用中子晶體學(xué)揭示質(zhì)子量子效應(yīng)的演示，對(duì)許多研究酶及其機(jī)制的研究人員來說非常有用。

博科園｜研究/來自：大阪大學(xué)

參考期刊《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》

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