完整酶结构 郭瑞庭供图
电子转达机制 郭瑞庭供图
5月29日，，，，《自然—通讯》在线揭晓了首个细胞色素P450酶的全长细腻三维结构，，，，解答了这一数十年未解的科学难题。。。
湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室教授陈纯琪、马立新和郭瑞庭相助完成了这项事情。。。他们剖析了一种P450酶CYP116B46的晶体结构，，，，并剖析电子在分子内转达的方法。。。这对相识P450的结构及完整机理提供了主要指导，，，，且对P450酶在医药和工业领域的应用具有主要价值。。。
万能生物催化剂
细胞色素P450是一种酶卵白，，，，最早于1955年在老鼠的肝脏细胞中发明，，，，由于其与一氧化碳连系的还原态吸收光谱波长约在450 nm而得名。。。
该卵白由血红素（heme）结构域和含有黄素单核苷酸（FMN）的还原酶结构域组成；；这两个部分通过包括铁硫簇的铁氧还卵白域相连。。。“细胞色素P450是一个重大的酶家族，，，，简称为CYP，，，，加入许多自然产品的合成途径与毒物、药物代谢反应。。。”论文通讯作者陈纯琪告诉《中国科学报》，，，，在植物中，，，，P450家族加入一些特殊化合物的合成，，，，如青蒿素和紫杉醇；；在人体中，，，，P450家族主要加入解毒历程，，，，如化解可以导致癌症的黄曲霉毒素等。。。
这是由于P450的催化多能性很高，，，，涉及20余类反应，，，，包括羟化反应、环氧化反应和成环反应等。。。其底物谱极广，，，，可以识别芳香族、聚酮类、萜类、肽类、糖类等类型的底物，，，，拥有“万能生物催化剂”之称。。。
它还具有高度区域选择性和立体选择性，，，，能特异性的识别结构位点和偏向。。。别的，，，，P450酶的底物连系区具有高度可塑性，，，，透过酶工程刷新可以改变底物谱，，，，在主要化学品和药物制造方面的应用深具潜力。。。
因此，，，，药物活性化与代谢主要都是由CYP这个酶家族所认真的，，，，约莫席卷了生物体中此类代谢的75%。。。
P450系统普遍保存于所有生物甚至病毒中，，，，已发明凌驾18000种P450系统。。。人体内已经发明凌驾57种P450系统，，，，大部分是膜卵白，，，，主要漫衍在粒线体内膜或内质网上。。。不过，，，，在大肠杆菌中未发明此类酶卵白的踪影。。。
“绝大大都P450酶需要氧化还原酶来提供电子，，，，以活化底物连系区的血红素，，，，进而转化底物。。。”陈纯琪说，，，，建设一个P450系统必需寻找同源或者相匹配的氧化还原酶。。。
在P450系统的9个家族中，，，，只有2个家族在统一条多肽链上自带氧化还原酶，，，，被称为自给自足的P450酶，，，，这类酶主要来自细菌。。。另外一些P450系统则需要从外界获得匹配的氧化还原酶，，，，这种情形主要爆发在动物体内。。。
“自给自足的P450酶在生物手艺应用方面是极具吸引力的生物催化剂。。。因此，，，，自给自足P450酶内部电子怎样转达是一个很是有趣且主要的课题。。。”论文通讯作者郭瑞庭告诉《中国科学报》，，，，此前，，，，科学家已经对P450系统中的血红素和FMN等结构域研究较量清晰，，，，但对中心毗连部分始终不相识，，，，缺乏全长细腻结构。。。
“在卵白纯化及作育晶体的历程中，，，，P450酶极易从中中止裂或降解，，，，因而很难获得完整的全长三维立体结构。。。”陈纯琪说。。。
获得全长P450细腻三维结构
现在已知的自给自足P450酶有两类。。。第一类以泉源于重大芽孢杆菌的CYP102A1为代表，，，，由氮端的血红素结构域和碳端的P450还原酶 （CPR）组成，，，，电子转达的偏向是从碳端向氮端转达。。。虽然这类P450酶的全长细腻结构仍然缺失，，，，但关于这类P450酶的电子转达机理也有了一些简陋的理论。。。
第一类自给自足P450酶结构域排列 郭瑞庭供图
第二类是CYP116，，，，该研究所涉及的CYP116B46就属于这一类。。。这类P450由氮端的 heme结构域和碳端的邻苯二甲酸二加氧酶还原酶类结构域（PDR）组成，，，，PDR包括了FMN-依赖的还原酶结构域与铁氧还卵白结构域。。。
第二类自给自足P450酶结构域排列 郭瑞庭供图
自给自足P450酶的一条多肽链内是怎样将电子从碳端转达到氮端的血红素的？？？由于30多年来恒久缺乏全长的卵白质结构信息，，，，在该项研究之前尚不清晰。。。
英国曼彻斯特大学化学生物学教授萨宾·L·弗利奇（Sabine L. Flitsch）说：“获得全长酶是一项了不起的成绩。。。”许多小组，，，，包括她自己的小组，，，，都试图剖析这些结构，，，，由于它们作为生物催化剂具有重大的应用潜力。。。
“可以说晶体制备已经逾越科学，，，，险些成为一门艺术。。。”陈纯琪说，，，，要想获得一个完整的大卵白晶体结构，，，，其难度可想而知。。。
该研究所用的CYP116B46相对稳固，，，，加上郭瑞庭长年从事晶体制备和结构剖析事情积累的富厚履历，，，，他们得以使用X射线晶体学对其完整的晶体结构举行剖析。。。
结构剖析批注，，，，在这种酶中，，，，FMN足够靠近铁硫簇以实现直接电子转移；；但血红素离铁硫簇太远，，，，不允许电子直接转移，，，，而是依赖5个“二传手”氨基酸实现转达。。。
“我们剖析了泉源于CYP116B46全长的晶体结构，，，，且建设了清晰的酶结构模子。。。”郭瑞庭说，，，，这条一连性的多肽折叠成三个结构域，，，，由两段毗连肽相连，，，，从氮端到碳端依序为：血红素连系域、还原酶结构域和铁氧还卵白结构域。。。
郭瑞庭先容，，，，结构剖析后发明，，，，CYP116B46三个结构域的排列与电子转达的偏向竟然很是一致。。。血红素连系域的底物连系区朝向外，，，，有利于底物进入连系，，，，这显示结构的排列相当合理。。。其中，，，，还原酶结构域和铁氧还卵白结构域的直线距离为7.9Å，，，，有利于电子的直接转达。。。
“科学家普遍以为，，，，小于8 Å的距离是电子可以直接转达已往的。。。”郭瑞庭说。。。
另一方面，，，，铁氧还卵白结构域和血红素的直线距离达25.3 Å，，，，凌驾现在认定的有用直接电子转达距离。。。
5个“二传手”转达电子
“在这两个氧化还原中心之间，，，，由其他辅助因子来资助电子传送的可能性较低。。。”郭瑞庭诠释说，，，，由于结构显示二者之间的通道狭窄，，，，缺乏其他辅助因子连系的特征。。。另一方面，，，，思量到氨基酸也是一种电子载体，，，，以是二者之间的氨基酸也有可能在电子传送的历程中饰演主要角色。。。
“现在我们有时机设计还原酶结构域和电子转移途径。。。”陈纯琪说。。。
为了剖析这些氨基酸的侧链基团关于CYP116B46酶活性的影响，，，，他们将这些位点划分突酿成丙氨酸，，，，并举行产品天生量的测定来评估每个氨基酸饰演的角色。。。
郭瑞庭先容，，，，酶活测试效果显示，，，，R388、R718、E723、S726和E729的丙氨酸突变体活性显着下降。。。将这些位点再次标定在结构上，，，，可以看出大致的电子转达偏向。。。
R378A突变体卵白质缺乏血红素造成的红色，，，，一氧化碳处置惩罚后也没有泛起吸收峰带移的征象。。。加上R378的所在位置相近血红素，，，，推测R378可能与连系血红素相关。。。因此，，，，R378A的突变造成的效应越发重大，，，，需要进一步实验才华判断此一位点关于CYP116B46电子转达的影响。。。
[2Fe-2S] 与heme通道的氨基酸突变验证 郭瑞庭供图
“知道了氨基酸在电子转达历程中饰演的角色之后，，，，我们就可以思量寻找替换别的有用氨基酸，，，，提高电子转达效率。。。”郭瑞庭诠释说，，，，这就似乎换上一个手更长的“二传手”，，，，让电子能更快的转达已往。。。
这种设计将提高催化反应的效率。。。P450全长结构的剖析，，，，关于相识自给自足P450酶催化机理是一个很是主要的里程碑，，，，关于P450酶刷新与应用更具有主要的指导意义。。。
相关论文信息：https://doi.otg/10.1038/s41467-020-16500-5