【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?,F(xiàn)在,包括大阪大學(xué)、大阪醫(yī)學(xué)院、國立量子和放射科學(xué)技術(shù)研究所、茨城大學(xué)和筑波大學(xué)在內(nèi)的一個研究團(tuán)隊,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《美國國家科學(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)了一個不同尋常的“懸浮”質(zhì)子。
一種解決方案是對晶體施加中子束,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)對酶功能至關(guān)重要的量子行為。因此,準(zhǔn)確確定它們在蛋白質(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不同尋常的‘懸浮’質(zhì)子。TOPA醌輔助因子共價結(jié)合在酶上,對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《美國國家科學(xué)院院刊》
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