酸?堿催化涉及一個(gè)或多個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，是許多酶常用的一種化學(xué)機(jī)制。催化作用的分子機(jī)制通常依據(jù)酶活性最適pH值下確定的結(jié)構(gòu)。然而，從實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)中直接觀察質(zhì)子是相當(dāng)困難的，因此，大多數(shù)酶仍然缺乏完整的機(jī)理研究。
二氫葉酸還原酶（DHFR）是酸?堿催化的典型代表，其底物DHF進(jìn)行氫化物轉(zhuǎn)移和質(zhì)子化形成四氫葉酸（THF）。在前期報(bào)道中，X射線和中子晶體結(jié)構(gòu)加上理論計(jì)算已經(jīng)提出溶劑介導(dǎo)質(zhì)子化步驟。然而，質(zhì)子轉(zhuǎn)移的可視化一直是難以解決的問題。
有鑒于此，Case Western Reserve University的Chris G. Dealwis組基于在酸性pH下測(cè)定的大腸桿菌來源的DHFR偽米氏復(fù)合物、分辨率為2.1?的中子結(jié)構(gòu)，對(duì)催化質(zhì)子及其母體溶劑分子質(zhì)子轉(zhuǎn)移進(jìn)行了直接觀察。首先，在酸性和中性pH條件下對(duì)X射線和中子結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，結(jié)果顯示酸性pH條件下動(dòng)力學(xué)衰減，即使對(duì)于調(diào)節(jié)性Met20 loop也是如此。
圖片來源：ACS Catal.
圖片來源：ACS Catal.
綜上，該研究結(jié)果證明了在pH范圍內(nèi)進(jìn)行的中子和X射線衍射對(duì)比研究的能力，即使這些pH值與所研究酶的最佳pH值明顯不同。在低pH下用中子衍射解決的結(jié)構(gòu)可以提供一個(gè)“質(zhì)子陷阱”。X射線和中子衍射與QM/MM計(jì)算的結(jié)合是可視化動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的獨(dú)特工具，其中每種技術(shù)都提供了寶貴的缺失細(xì)節(jié)，相互補(bǔ)充，對(duì)酶機(jī)制做了更完整地解釋，這對(duì)于具有酸?堿催化機(jī)制的酶尤其重要。
參考文獻(xiàn)：Capturing the Catalytic Proton of Dihydrofolate Reductase: Implications for General Acid?Base Catalysis
ACS Catal. 2021, 11, 5873?5884
原文作者：Qun Wan,* Brad C. Bennett, Troy Wymore, Zhihong Li, Mark A. Wilson, Charles L. Brooks, III, Paul Langan, Andrey Kovalevsky, and Chris G. Dealwis*
