利用中子揭示氧化酶蛋白的高分辨率结构细节吗?

 

理解蛋白质和酶的行为是解开生物学过程秘密的关键。蛋白质的原子结构一般使用X射线晶体学进行研究,但一般无法获得氢原子和质子(氢离子)的准确信息。目前,包括营、营医学院、国立量子和辐射科学技术研究所、茨声带、轴浦台在内的研究小组利用中子结晶学,揭示了非常大的氧化酶蛋白高分辨率结构的细节,其研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。6y73q

在蛋白质和酶中,构成原子约一半的氢原子和质子通常在这种生物分子工作中起着重要作用。但是,由于尺寸小,很难准确确定准确的位置。研究蛋白质结构最常用的方法是将一束高能X射线对准蛋白质晶体,分析X射线与结构内原子的电子相互作用所产生的衍射图案。不幸的是,X射线不会与氢原子或质子相互作用。这个原子或质子的电子密度很低,甚至没有电子密度,所以很难“看到”。6yw18

图:(a)铜胺氧化酶的巨晶;(b)铜胺氧化酶的三维结构,包括氢原子;放大的图像中心出现了非同寻常的“漂浮”质子。

一种解决方法是在晶体上施加中子束,而不是x射线。中子与路径上的原子核相互作用,包括氢原子和质子的原子核。这些相互作用产生的衍射图案在中子束通过晶体后记录下来,并解码到原子核(包括氢核)的正确位置。氢原子和质子是酶结构中特别有趣的部分。因为它们能发现对酶功能很重要的杨紫行为。因此,为了查明发生了什么,准确地确定它们在蛋白质结构中的位置很重要。mnicy

图:TOPA醌辅助因子的结构,灰色和浅蓝色网格分别表示氢原子和氘原子的密度。

利用中子结晶学,研究人员可以确认分子量为70600的细菌铜胺氧化酶结构。在中子结晶学方面,这远远超过了以前记录的分子量,仍然准确定位结构中的氢原子和质子。可见人Topa Quone和这种酶中严格保守的氨基酸残基之间观察到了不同寻常的“悬浮”质子。TOPA的辅助因子共价键结合酶,对酶的催化作用起着非常重要的作用。modi3

图:铜配位基团酸残基的质子状态,其中一个基团酸残基完全脱质,如带红色圆所示,形成不同寻常的咪唑负离子。r3esb

Topa被发现为蛋白质来源的辅助因子30年后,研究人员终于能够建立它的完整图片。根据(莎士比亚,Northern Exposure)的研究,子元素实际上存在于两种不同形式之间的平衡状态中。如果我们能完全理解正在发生的事情,酶活性部位(即反应发生的地方)就能给我们很多信息和灵感。研究利用中子结晶学演示质子杨紫效应的研究对研究酶及其机制的很多研究者都很有用。

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