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電場(chǎng)圖幫助解開酶的工作原理
Release Time：2022-07-30在我們身體的細(xì)胞中，每時(shí)每刻都有無(wú)數(shù)對(duì)生命至關(guān)重要的活動(dòng)因酶而發(fā)生。 這些特殊的蛋白質(zhì)通過(guò)加快化學(xué)反應(yīng)的速度和提高化學(xué)反應(yīng)的選擇性而充當(dāng)催化劑，而本身不會(huì)發(fā)生永久性變化。 除了在生物學(xué)中不可或缺的作用外，酶對(duì)食品、制藥、農(nóng)業(yè)和化妝品行業(yè)的無(wú)數(shù)過(guò)程也至關(guān)重要。
由于酶的普遍性和重要性，但人們對(duì)酶知之甚少。特別是，科學(xué)家們想知道是什么讓酶的活性位點(diǎn)——如此強(qiáng)大。雖然許多酶活性位點(diǎn)的三維原子結(jié)構(gòu)已經(jīng)被可視化和映射，但活性位點(diǎn)內(nèi)電場(chǎng)的“不可見(jiàn)”結(jié)構(gòu)大多是未知的。理論上，這些電場(chǎng)在分子反應(yīng)并迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樾路肿拥幕钚晕稽c(diǎn)形成精確環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用。
由斯坦福大學(xué)的研究人員 Chu Zheng 和 Yuezhi Mao 共同領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究首次推出了一種新的探針，用于測(cè)量和可視化酶活性位點(diǎn)內(nèi)的電場(chǎng)。該論文最近發(fā)表在《自然化學(xué)》雜志上，報(bào)告了反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的電場(chǎng)方向，可以幫助研究人員計(jì)算活性位點(diǎn)中的關(guān)鍵化學(xué)相互作用。反過(guò)來(lái)，這些見(jiàn)解可能會(huì)導(dǎo)致為工業(yè)構(gòu)建定制的合成酶，并極大地促進(jìn)干擾或調(diào)節(jié)酶靶標(biāo)功能的新藥的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)。
“我們開發(fā)了一種新的探針，它可以為我們提供有關(guān)電場(chǎng)如何在酶中獨(dú)特定向的重要信息，我們認(rèn)為這是酶驚人催化能力的基礎(chǔ)，”Steven G. 實(shí)驗(yàn)室的研究生鄭說(shuō)。 Boxer，Camille Dreyfus 化學(xué)教授。
“在基本層面上，我們?cè)噲D更好地了解酶的工作原理，在這項(xiàng)研究中，我們通過(guò)引入電場(chǎng)方向來(lái)增加一個(gè)新的維度，這被認(rèn)為對(duì)酶的催化功能具有關(guān)鍵影響，”毛說(shuō)，化學(xué)博士后學(xué)者，在斯坦福大學(xué)化學(xué)副教授、高級(jí)合著者 Thomas Markland 的實(shí)驗(yàn)室工作。
強(qiáng)大的新工具
斯坦福大學(xué)的 Boxer 實(shí)驗(yàn)室率先提出了通過(guò)測(cè)量靜電相互作用來(lái)解釋酶功能的概念，靜電相互作用存在于所有形式的物質(zhì)中，并且在大型生物分子的三個(gè)維度中特別組織。
“酶的驚人功能的起源是一個(gè)普遍的問(wèn)題，它不僅適用于生物催化，還適用于化學(xué)催化——這是一項(xiàng)巨大的業(yè)務(wù)，”博克瑟說(shuō)。 “大約 80% 的化學(xué)物質(zhì)是使用催化劑制成的，但對(duì)于大多數(shù)反應(yīng)來(lái)說(shuō)，實(shí)際上降低活化自由能 [使反應(yīng)發(fā)生得更快] 的原因尚不清楚。研究電場(chǎng)在酶功能中的作用非常重要這是我們工作的核心，”斯坦福大學(xué)人文與科學(xué)學(xué)院化學(xué)系主任、該研究的高級(jí)合著者博克瑟說(shuō)。
斯坦福團(tuán)隊(duì)開發(fā)的探針依賴于一種技術(shù)——也是在 Boxer 實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的——稱為振動(dòng)斯塔克效應(yīng)光譜。該技術(shù)根據(jù)化學(xué)鍵吸收的紅外光波長(zhǎng)測(cè)量探針?lè)肿拥恼駝?dòng)頻率。這些振動(dòng)頻率的變化揭示了有關(guān)電場(chǎng)的信息。在這項(xiàng)研究中，研究人員調(diào)查了由一種叫做 N-環(huán)己基甲酰胺的分子制成的探針中化學(xué)鍵振動(dòng)頻率的變化。該分子充當(dāng)抑制劑，與稱為肝醇脫氫酶的酶的活性位點(diǎn)結(jié)合。
為了可視化肝醇脫氫酶活性位點(diǎn)的電場(chǎng)，研究人員針對(duì) N-環(huán)己基甲酰胺探針中相距約 120 度的兩個(gè)鍵進(jìn)行了定位。兩個(gè)鍵之間的特定角度使研究人員不僅可以測(cè)量電場(chǎng)的強(qiáng)度或大小，還可以測(cè)量電場(chǎng)的方向。 Boxer 實(shí)驗(yàn)室先前對(duì)其他酶活性位點(diǎn)的研究報(bào)告了電場(chǎng)的大小，但沒(méi)有報(bào)告其方向。
“我們稱這個(gè)工具為雙向探頭，因?yàn)橛辛诉@個(gè)探頭，我們可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同方向的活性位點(diǎn)的電場(chǎng)，”鄭說(shuō)。 “以這種方式使用探頭，我們可以重建和提取有關(guān)電場(chǎng)的方向信息。這是過(guò)去沒(méi)有做過(guò)的。”
收集這個(gè)關(guān)鍵測(cè)量值首先需要一些化學(xué)技巧。眾所周知，N-環(huán)己基甲酰胺探針的化學(xué)鍵之一——碳原子和氫原子之間——在蛋白質(zhì)環(huán)境中很難觀察到。因此，研究人員將氫原子換成了元素更重的表親，稱為氘。新的碳-氘鍵被證明可以測(cè)量，并幫助研究人員揭示電場(chǎng)的方向。
精確的酶環(huán)境
斯坦福大學(xué)的研究人員將他們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)模擬和量子力學(xué)計(jì)算相結(jié)合，以描述電場(chǎng)與 N-環(huán)己基甲酰胺（經(jīng)氘修飾）在肝醇脫氫酶活性位點(diǎn)的相互作用。然后將這些特性與水、丙酮和其他常見(jiàn)溶劑中的電場(chǎng)進(jìn)行比較。
值得注意的是，研究人員發(fā)現(xiàn)肝醇脫氫酶活性位點(diǎn)的電場(chǎng)方向與他們研究的溶劑中的電場(chǎng)方向有很大不同。這一結(jié)果支持這樣一種觀點(diǎn)，即酶活性位點(diǎn)具有科學(xué)家所謂的預(yù)先組織的靜電環(huán)境，或者氨基酸的精確定位和它們創(chuàng)造的靜電環(huán)境有助于減少發(fā)生化學(xué)·反應(yīng)所需的能量。這可能是酶催化反應(yīng)的非凡能力的關(guān)鍵。
“通過(guò)這項(xiàng)研究，我們正在幫助推進(jìn)將酶的性能與活性位點(diǎn)電場(chǎng)的大小和方向相關(guān)聯(lián)的概念，”毛說(shuō)。 “我們發(fā)現(xiàn)有證據(jù)表明酶活性位點(diǎn)中的電場(chǎng)是預(yù)先組織好的，這是解開酶為何具有驚人能力之謎的重要線索。”
斯坦福研究人員開發(fā)的探針可用于研究許多其他酶的活性位點(diǎn)。以這種方式拓寬知識(shí)將使科學(xué)家和工程師更接近能夠設(shè)計(jì)具有驚人新特性的定制酶。
“這項(xiàng)研究的最終目標(biāo)是使我們能夠設(shè)計(jì)出具有卓越催化性能的酶，用于生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)應(yīng)用，”鄭說(shuō)。 “我們離那還很遠(yuǎn)，但我們正在取得進(jìn)展，并且現(xiàn)在比以前對(duì)酶的工作原理有了更好的了解。”
