南京大學團隊在單分子酶學理論研究發表論文

　　南京大學物理學院王煒教授和李文飛教授生物物理課題組在單分子酶學理論研究方面取得重要進展，建立了單分子酶學動態能量面理論模型，并揭示出自然界酶克服催化循環中的限速步驟，進而實現高效率催化所采用的物理策略。研究成果以“Overcoming the bottleneck of enzymatic cycle by steric frustration”為題，于2019年6月14日發表在物理學評論快報(Phys.Rev.Lett.,122, 238102 (2019))，該工作是他們與京都大學Shoji Takada教授合作的又一項新成果。

　　酶是一類生物催化劑，主要以蛋白質分子構成。酶能夠特異性地加速細胞內的生化反應，使得本來發生很慢的化學反應能夠在微秒、毫秒等生物學相關時間尺度內完成。因此，酶不僅支配著細胞內的能量代謝、基因表達以及物質輸運等過程的有序進行，也是人們在分子層次改造生命體的最有力工具。自然界的酶由于進化具備了驚人的催化能力，但酶分子采用怎樣的物理策略從而實現高效率催化仍是自然界的未解難題之一。

圖1: 酶分子利用底物-產物空間阻挫克服催化循環限速步驟。催化循環中，新底物分子（S1）在上一循環產物（P2）釋放之前結合，產生底物-產物共存復合體。由于底物-產物之間的空間阻挫效應，化學勢驅動下的底物結合能夠有效降低產物釋放能壘，從而以主動方式加速限速步驟的發生和催化循環。

　　酶的催化功能通過催化循環來實現，包括底物結合、化學反應以及產物釋放等關鍵步驟，并與蛋白質分子的構象變化緊密耦合。酶的催化效率主要由催化循環中的限速步驟決定，而產物釋放是最普遍的限速步驟。因此，對自然界酶實現高效率催化的物理機制的理解，需要揭示出酶分子克服催化循環中的限速步驟所采取的策略。該研究團隊建立了一個描述單分子酶學的動態能量面理論模型，通過模擬計算，在單分子層次上刻畫了各個催化步驟的相互耦合，首次實現了對完整催化循環過程的分子模擬，提出了酶實現高效性催化功能的一個新物理機理。他們發現，自然界的多底物酶在底物化學勢驅動下，利用底物-產物之間的空間阻挫效應，可以顯著降低限速產物的釋放能壘，從而實現加速催化循環（圖1-2）。與以往人們廣為接受的被動產物釋放機制不同，這種利用底物結合能來促進限速產物釋放的主動機制，給出了一種克服酶催化循環瓶頸的有效物理策略，可能是自然界酶普遍采用的催化策略。特別地,本工作發現的阻挫效應在酶催化循環中的關鍵作用是有關蛋白質功能物理機制的一個重要更新。以往的研究發現，蛋白質分子為了實現準確、快速折疊，其內部相互作用阻挫需要盡可能小。然而,越來越多的證據表明，蛋白質分子的功能位點通常存在局域相互作用阻挫，但人們對其在蛋白質功能運動中的作用了解有限。本工作的結果首次展現了自然界的多底物酶能夠利用底物-產物之間的阻挫效應來加速酶催化。

圖2: 作為多底物酶模型的腺苷酸激酶催化機制（負責催化磷酸根轉移反應ATP+AMP?ADP+ADP）。（a）腺苷酸激酶在“開態（失活態）”（左）和“閉態（活性態）”（右）的結構卡通圖；（b）底物（ATP）-產物（ADP）共存態的活性位點結構以及其空間阻挫示意圖；（c）腺苷酸激酶在空載狀體的構象自由能面；（d）腺苷酸激酶單分子催化循環的動態能量面理論模型示意圖；（e）系綜層次的催化動力學以及底物-產物空間阻挫效應對催化速率的貢獻；（f）單分子層次的催化時間分布。

　　該工作從物理學視角給出了酶實現高效率催化功能的一個有效策略，為人們揭示自然界酶催化的基本原則提出了新的認識，對人工設計高催化效率酶提供了新的啟示。此外，該工作的理論建模和分子模擬方案，為酶學研究引入新的思路。研究項目得到國家自然科學基金和人工微結構科學與技術協同創新中心項目的支持。