在自然界有一類名為氫化酶的生物活性大分子能高效可逆地催化質(zhì)子與電子反應(yīng)生成氫氣。按照其活性中心的金屬組成，氫化酶可被分為單鐵、鎳鐵以及鐵鐵氫化酶，其中鐵鐵氫化酶的催化活性最高（轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)10000次/秒）。鐵鐵氫化酶的活性中心包埋于蛋白質(zhì)的疏水內(nèi)部。為了確保其高效的催化活性，有一條保守的質(zhì)子傳遞通道連接著酶的活性中心與蛋白質(zhì)表面。
鐵鐵氫化酶的活性中心包含內(nèi)源性的一氧化碳（CO）和氰根(CN-)基團(tuán)。CO與CN-基團(tuán)通過(guò)與活性中心具有催化活性的鐵的配位形成Fe-CO或Fe-CN-配位鍵，對(duì)維持酶的催化活性有著十分重要的作用。大量文獻(xiàn)報(bào)道了外源性的CO基團(tuán)能與酶活性中心的底物結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，從而對(duì)酶催化反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用。然而外源性的CN-是否能與酶的活性中心作用并不清楚。目前僅有一篇發(fā)表于四十多年前的文章報(bào)道過(guò)外源性CN-幾乎不影響鐵鐵氫化酶的活性。
近日，德國(guó)波鴻魯爾大學(xué)青年研究員段紀(jì)甫博士與Thomas Happe教授獲得了經(jīng)過(guò)外源性CN-處理過(guò)的鐵鐵氫化酶的單晶，并利用X射線技術(shù)得到了高分辨的晶體結(jié)構(gòu)（1.39?）。該結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)成功區(qū)分Fe-CO與Fe-CN-配體，進(jìn)而揭示外源性的CN-占據(jù)酶活性中心的底物結(jié)合位點(diǎn)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果也通過(guò)紅外光譜技術(shù)得到了進(jìn)一步的論證。此外，產(chǎn)氫酶活性測(cè)試結(jié)果表明在外源性CN-存在的條件下，酶活降低了64 %。
另外，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，相比于擁有開放位點(diǎn)的酶分子，外源性CN-結(jié)合后的酶分子在質(zhì)子傳遞通道上表現(xiàn)出了不同的構(gòu)象。巧合的是，這一構(gòu)象在分子動(dòng)力學(xué)模擬質(zhì)子如何通過(guò)該通道抵達(dá)催化位點(diǎn)參與氫氣合成時(shí)被反復(fù)捕捉到過(guò)，然而至今無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段獲得其具體結(jié)構(gòu)，因而研究人員猜想鐵鐵氫化酶的快速質(zhì)子傳遞可能是通過(guò)質(zhì)子傳遞通道上這兩種不同構(gòu)象間的快速轉(zhuǎn)變而實(shí)現(xiàn)的。至于外源性CN-的結(jié)合會(huì)導(dǎo)致捕捉到住這一瞬時(shí)構(gòu)象的原因，目前尚不清晰，還有待進(jìn)一步研究。
綜上所述，該論文首次報(bào)道了外源性CN-能夠與鐵鐵氫化酶活性中心作用，并抑制其催化活性。高分辨率晶體結(jié)構(gòu)及紅外光譜學(xué)表征結(jié)果表明均表明外源性CN-能夠直接占據(jù)活性中心的開放位點(diǎn)并與活性中心結(jié)合。另外，結(jié)合后的質(zhì)子傳遞通道構(gòu)象的改變對(duì)鐵鐵氫化酶催化（尤其是質(zhì)子傳遞）機(jī)制的理解提供了新的見(jiàn)解，也可為新型氫氣合成/氧化生物催化劑的設(shè)計(jì)提供新的思路。
圖1 鐵鐵氫化酶晶體結(jié)構(gòu)劑催化產(chǎn)氫示意圖 圖2 活性態(tài)及CN-結(jié)合態(tài)的鐵鐵氫化酶催化活性中心的晶體結(jié)構(gòu) 圖3 鐵鐵氫化酶的質(zhì)子傳遞通道在其活性狀態(tài)及CN-結(jié)合態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)比 論文信息 Cyanide Binding to [FeFe]-Hydrogenase Stabilizes the Alternative Configuration of the Proton Transfer Pathway Dr. Jifu Duan, Dr. Anja Hemschemeier, David J. Burr, Dr. Sven T. Stripp, Prof. Eckhard Hofmann, Prof. Thomas Happe Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202216903
