纳米孔揭示了与催化有关的可变形的酶

格罗宁根大学的科学家已经观察到纳米孔内单一酶的特征。他们了解到,该酶可以四种不同的折叠状态或构象形式存在,它们在反应机理中起积极作用。这些结果将对酶工程和抑制剂的开发产生影响。该研究于4月6日发表在《自然化学》上。

四个构象异构体的能量图(左)和实验设置显示了横截面中截留有酶的纳米孔(右)。在下面,有一条典型的迹线,显示了旋转器内交换期间的测量值。图片提供:格罗宁根大学的乔凡尼·麦格利亚

酶是折叠的蛋白质,具有特定的三维结构,可形成可结合底物并催化特定反应的活性位点。近年来,已经清楚的是酶不是刚性结构,但是折叠的蛋白质以构象的整体形式存在,在能量稳定的基态周围处于平衡状态。

风洞

研究状态之间的转换需要长时间观察单个酶,这具有挑战性。格罗宁根大学化学生物学副教授Giovanni Maglia开发了可以捕获蛋白质的漏斗状纳米孔。

通过测量跨过人工脂质膜的纳米孔的离子电流,Maglia能够观察到酶的构象变化。他解释说:“您可以将它与在风洞中研究汽车进行比较。”

“打开窗户或门会改变气流。以类似的方式,酶折叠结构的改变也会改变通过孔的离子电流。”Maglia使用他的纳米孔系统研究了二氢叶酸还原酶(DHFR),该酶将二氢叶酸转化为四氢叶酸。

“我们之所以选择这种酶,是因为已使用所有可用技术将其作为酶动力学的模型系统进行了30多年的研究。此外,该酶的抑制剂(例如甲氨蝶呤)被用作抗癌药物。

人造膜(黄色)包围的漏斗状纳米孔(蓝色)的插图,其中一种酶(红色/白色/蓝色)被困在孔内。图片提供:格罗宁根大学(University of Groningen)Giovanni Maglia

高效释放

DHFR的测量揭示了对于底物存在四个具有不同亲和力的构象异构体。Maglia说:“在这四个状态之间切换非常缓慢。这意味着您只能在这些长期的单一酶研究中看到它们。”

加入与酶结合的反应抑制剂甲氨蝶呤,引起状态之间非常快速的转变,并改变了酶的亲和力。Maglia说:“我们的结论是酶与不同化合物的反应为构象变化提供了自由能。”

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