酶催化反应时的“水线电话” 学术资讯

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图说：延时图像显示了酶在催化循环过程中的“呼吸”：它根据催化的子步骤进行膨胀和收缩，它的两部分结构通过一串水分子进行交流。

近日，德国马普物质结构和动力学研究所(MPSD)的原子分辨动力学部门、德国波茨坦大学和加拿大多伦多大学的研究人员拼接了一部详细的延时电影，揭示了酶催化周期中所有的主要步骤。他们发现蛋白质两个单元之间的交流是通过类似于有线电话的一串水分子来完成的。并且，交流活动与“呼吸”（蛋白质的膨胀和收缩运动）保持一致，这种结构的延时图像揭示了动态运动作为生物学分子基础的基本要素。相关成果发表在《科学》杂志上。

所有的生命都是动态的，它们的分子构筑块也是动态的。生物分子的运动和结构变化是其功能的基础。然而，从分子水平上理解这些动态运动是一项艰巨的挑战。蛋白质是如何加速那些无催化条件下需要数年才能进行的化学反应的呢?

为此，研究人员求助于一种酶，这种酶可以分解有机化学中最强的单键：C-F键。氟碳化合物存在于聚四氟乙烯、戈尔特斯面料、药品和农药中。含氟化合物对气候变化有特殊的影响，其效果比二氧化碳的影响要高若干数量级。因此，更好地理解并最终控制C-F键的周转率对气候变化和生物修复特别有意义。

研究人员利用时间分辨的x射线晶体学技术，在生理温度下拍摄了这种天然酶在催化循环反应中的分子快照。这部延时电影揭示了从30毫秒到30秒的18个时间点，涵盖了导致C-F键断裂的所有关键催化状态。令人惊讶的是，这部影片还展示了这种酶在循环过程中的“呼吸”，也就是说，它会随着催化的子步骤进行膨胀和收缩。

更令人惊讶的是，这种酶的两个部分可通过一串勾连水分子相互交流。这个“水线电话”能够使酶的两部分进行“交谈”，分享有关它们催化状态的信息。这些动态变化对酶的功能是至关重要的，因为在一定的时间内，只有一半的酶具有活性。

最后，研究人员预计，许多其他系统也会利用类似的机制来进行活动并发挥作用。

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编译：花花

审稿：西莫

责编：雷鑫宇

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

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