基於蛋白質構象固有運動的酶催化機制研究

《基於蛋白質構象固有運動的酶催化機制研究》是依託南開大學，由黃積濤擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於蛋白質構象固有運動的酶催化機制研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：黃積濤
• 依託單位：南開大學

中文摘要

除靜態結構外，蛋白質內在運動是如何達成酶催化功能的？這一問題是現今酶化學和結構分子生物學交叉領域中頗具挑戰性的課題。新近發展起來的NMR弛豫色散技術已用來測量酶活性部位和整體蛋白質固有的毫秒級運動，由此發現這種慢運動與底物的轉換數密切相關。本課題擬從一個新的角度直接測定酶蛋白運動對催化活性的影響。以射頻信號 (或交變電場、聲場) 外界物理刺激作用於蛋白質，強迫蛋白質構象以往復運動的方式來激發、抑制或調控酶的催化功能，探究酶運動催化的規律。進而，以相同的方法促使人工合成的催化劑改變催化模式和特徵，且由此拓展動態催化的套用範圍。潛藏在酶運動下的化學規律可能並不複雜，本課題同時探索酶功能性運動的結構本質，以蛋白質的序列/結構信息對運動頻率進行理論預測。其研究結果可發展和重新解釋當今酶催化的模型和機制，並可望對藥物設計的改進提供化學基礎。

結題摘要

蛋白質結構和運動與它們的生物功能之間的關係研究是近年來倍受關注，而且也頗具爭議的領域。從微秒到毫秒範圍內的蛋白質運動被認為是酶實現其功能的關鍵所在。這種運動並不僅僅限於那些活性部位，而是涉及到更為廣泛的摺疊網路中。新近發展起來的溶液NMR色散弛豫方法已經被用來識別位於酶活性部位和遠離活性部位的那些已經預先存在著的構象運動。這些數據暗示，潛藏在酶蛋白運動下的物理化學規律或許是十分簡單的。但是，與底物轉化有關的酶運動卻在很大程度上仍然是不為人所知的。本項目將靜電場和交變電場分別作用於胰蛋白酶、辣根過氧化物酶、葡萄糖氧化酶和纖維素酶對上述問題進行了考察。研究結果表明，當以靜電場拉伸蛋白質的構象時，構象輕微的變形時酶的活性上升；繼而酶又變性失活。在交變電場下，頻率為100 kHz時活性達到了極大值。理論上，我們觀察到了構象轉換速率與蛋白質結構之間的關係。構象運動的頻率隨著二級結構重量的增加呈指數下降的趨勢。帶有較大和較多a-螺旋和b-摺疊片的蛋白質趨向於更為慢速的構象運動。二級結構能夠調節運動頻率並以此控制著底物的轉化。酶感測器通常用於偵測一些痕量的物質。在本項目中這種方法則用於酶活性的檢測，通過測量在各種底物和抑制劑的濃度下的電解電流來跟蹤酶的電化學動力學行為。考察在辣根過氧化物酶電極上過氧化氫的穩態和前穩態還原反應，結果表明穩態電流隨底物濃度的變化符合Michaelis-Menten動力學，而但其他不是這樣。穩態電流隨抑制劑濃度的變化在中等濃度上有一個間斷。進而，蛋白質摺疊速率也可從胺基酸序列中被預測出來。胺基酸疏水性質是決定摺疊動力學的重要因素，而柔性、體積、等電點和極性則對摺疊速率幾乎沒有什麼貢獻。摺疊速率還取決於mRNA中第三密碼子位置上的鹼基，而不是第一和第二密碼子位置上的鹼基。因為密碼子與反密碼子上的鹼基對可以形成一個叄氫鍵的連線，所以在擺動密碼子上的胞嘧啶和鳥嘌呤能夠減慢摺疊速率。這意味著蛋白質在進化的過程中可利用密碼子的擺動來調節摺疊。本課題在基礎性研究的同時，設計研製了兩相酶、三酶生物感測器和氣體感測器，並且提出了利用電化學感測器不間斷地檢測和分析酶活性、酶瞬態動力學和酶中間體的方法。一種體積小，性能良好的電化學工作站被設計出來並得到了套用。