万能生物催化剂全长晶体结构获破解

 
 
万能生物催化剂全长晶体结构获破解  
 

完整酶结构      郭瑞庭供图

电子传递机制      郭瑞庭供图

5月29日,《自然—通讯》在线发表了首个细胞色素P450酶的全长精细三维结构,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、马立新和郭瑞庭合作完成了这项工作。他们解析了一种P450酶CYP116B46的晶体结构,并阐明电子在分子内传递的方式。这对了解P450的结构及完整机理提供了重要指导,且对P450酶在医药和工业领域的应用具有重要价值。

万能生物催化剂

细胞色素P450是一种酶蛋白,最早于1955年在老鼠的肝脏细胞中发现,因为其与一氧化碳结合的还原态吸收光谱波长约在450 nm而得名。

该蛋白由血红素(heme)结构域和含有黄素单核苷酸(FMN)的还原酶结构域组成;这两个部分通过包含铁硫簇的铁氧还蛋白域相连。“细胞色素P450是一个庞大的酶家族,简称为CYP,参与许多天然产物的合成途径与毒物、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家族参与一些特殊化合物的合成,如青蒿素和紫杉醇;在人体中,P450家族主要参与解毒过程,如化解可以导致癌症的黄曲霉毒素等。

这是因为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方向。此外,P450酶的底物结合区具有高度可塑性,透过酶工程改造可以改变底物谱,在重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这个酶家族所负责的,大约囊括了生物体中此类代谢的75%。

P450系统广泛存在于所有生物甚至病毒中,已发现超过18000种P450系统。人体内已经发现超过57种P450系统,大部分是膜蛋白,主要分布在粒线体内膜或内质网上。不过,在大肠杆菌中未发现此类酶蛋白的踪影。

“绝大多数P450酶需要氧化还原酶来提供电子,以活化底物结合区的血红素,进而转化底物。”陈纯琪说,建立一个P450系统必须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个家族在同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,这种情况主要发生在动物体内。

“自给自足的P450酶在生物技术应用方面是极具吸引力的生物催化剂。因此,自给自足P450酶内部电子如何传递是一个非常有趣且重要的课题。”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等结构域研究比较清楚,但对中间连接部分始终不了解,缺乏全长精细结构。

“在蛋白纯化及培养晶体的过程中,P450酶极易从中间断裂或降解,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精细三维结构

目前已知的自给自足P450酶有两类。第一类以来源于巨大芽孢杆菌的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,电子传递的方向是从碳端向氮端传递。虽然这类P450酶的全长精细结构仍然缺失,但对于这类P450酶的电子传递机理也有了一些粗略的理论。

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包含了FMN-依赖的还原酶结构域与铁氧还蛋白结构域。

第二类自给自足P450酶结构域排列      郭瑞庭供图

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