文章來自：博科園官網(wǎng)
了解蛋白質(zhì)和酶的行為是解開生物過程秘密的關鍵，蛋白質(zhì)的原子結構一般是用X射線晶體學來研究，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、大阪醫(yī)學院、國立量子和放射科學技術研究所、茨城大學和筑波大學在內(nèi)的一個研究團隊，利用中子晶體學揭示了一種非常大的氧化酶蛋白高分辨率結構細節(jié)，其研究成果發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上。
構成蛋白質(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鍵作用；然而，由于它們的尺寸很小，很難準確地確定它們的確切位置。研究蛋白質(zhì)結構最常見的方法是將一束高能X射線對準蛋白質(zhì)晶體，并分析X射線與結構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，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構，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)子是酶結構中特別有趣的組成部分，因為它們可以表現(xiàn)出被發(fā)現(xiàn)對酶功能至關重要的量子行為。因此，準確確定它們在蛋白質(zhì)結構中的位置，以便揭開正在發(fā)生的事情是很重要的。
圖示：TOPA醌輔助因子的結構，灰色和淺藍色網(wǎng)格分別表示氫原子和氘原子的密度。
使用中子結晶學，研究人員能夠確定分子量為70600的細菌銅胺氧化酶結構。對于中子結晶學來說，這是非常大的，遠遠超過了之前記錄的分子量，并且仍然精確地定位了結構中的氫原子和質(zhì)子。在輔因子Topa Quone和這類酶中嚴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醌輔助因子共價結合在酶上，對酶的催化作用起著至關重要的作用。
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。研究用中子晶體學揭示質(zhì)子量子效應的演示，對許多研究酶及其機制的研究人員來說非常有用。
博科園｜研究/來自：大阪大學
參考期刊《美國國家科學院院刊》
博科園｜科學、科技、科研、科普
關注【博科園】看更多大美宇宙科學
