分享一篇發(fā)表在Angew上的文章，通訊作者是來自波蘭科學(xué)院生化與生物物理研究所的Matthias Bochtler教授，他的研究方向主要是酶學(xué)和表觀遺傳修飾。
催化三聯(lián)體是自然界酶催化工具箱的重要組成部分，通常由絲氨酸或半胱氨酸作為親核試劑，通過氫鍵連接到組氨酸殘基，再通過氫鍵連接到第三個(gè)三聯(lián)體殘基，通常是Asp/Glu/Asn。幾十年來，一直認(rèn)為第三個(gè)殘基的作用不僅是促使組氨酸咪唑基定向，還能使其更具堿性，以促進(jìn)質(zhì)子從親核試劑轉(zhuǎn)移到咪唑上。
根據(jù)咪唑氮原子與親核試劑的位置關(guān)系，可以區(qū)分兩種三聯(lián)體構(gòu)型，分別是Nε和Nδ三聯(lián)體。兩種三聯(lián)體被廣泛認(rèn)為是等價(jià)的，但核磁共振研究表明，組氨酸的Nε原子比Nδ高0.4個(gè)pKa單位，根據(jù)玻爾茲曼規(guī)則，這導(dǎo)致Nε上帶有質(zhì)子的組氨酸比Nδ互變異構(gòu)體穩(wěn)定約0.5~0.6kcal/mol。這種自由能差異在沒有進(jìn)化選擇的壓力下將對(duì)Nδ構(gòu)型有約2.5倍的偏好。
由于三聯(lián)體不僅作為催化基元出現(xiàn)，也作為結(jié)構(gòu)元素出現(xiàn)。與酶催化有關(guān)的進(jìn)化選擇壓力不應(yīng)影響結(jié)構(gòu)三聯(lián)體，因此它們在PDB中出現(xiàn)的頻率可用于穩(wěn)定性測試。作者對(duì)PDB中非催化的三聯(lián)體進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)以絲氨酸、蘇氨酸或半胱氨酸作為三聯(lián)體第一個(gè)殘基的Nδ偏好倍數(shù)分別為1.8、1.9和1.3倍，這與Nδ和Nε的堿性差異相符。
隨后，作者對(duì)絲氨酸肽酶和半胱氨酸肽酶數(shù)據(jù)庫中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，該數(shù)據(jù)庫根據(jù)進(jìn)化標(biāo)準(zhǔn)對(duì)酶進(jìn)行了分類。發(fā)現(xiàn)絲氨酸肽酶三聯(lián)體幾乎完全是Nε構(gòu)型，少數(shù)例外都是高度可疑的例子，作者推測Nε三聯(lián)體構(gòu)型很可能是絲氨酸肽酶的進(jìn)化選擇。相反，半胱氨酸肽酶更偏好Nδ構(gòu)型，也存在Nε構(gòu)型。
作者接下來還檢查了酯酶、其它α/β-折疊水解酶等絲氨酸酶類，發(fā)現(xiàn)除少數(shù)例子之外，絲氨酸催化三聯(lián)體都是Nε構(gòu)型的。在進(jìn)行了大量的結(jié)構(gòu)和文獻(xiàn)分析后，作者認(rèn)為可以從催化機(jī)理上理解絲氨酸三聯(lián)體對(duì)Nε構(gòu)型的偏好。絲氨酸羥基和半胱氨酸巰基的pKa約為13.6和9.1，而組氨酸咪唑基的pKa約為6.4，故催化過程的質(zhì)子轉(zhuǎn)移需要克服自由能差。這種自由能差在絲氨酸酶中更顯著，而在半胱氨酸酶中較弱甚至不存在，因?yàn)榈鞍拙植凯h(huán)境可使pKa移動(dòng)幾個(gè)單位。因此堿性較強(qiáng)的Nε原子靠近絲氨酸，更加促進(jìn)了較困難的質(zhì)子轉(zhuǎn)移步驟，而這一步驟更可能是絲氨酸酶而不是半胱氨酸酶的限速步驟。作者認(rèn)為由此產(chǎn)生的絲氨酸酶的催化優(yōu)勢足以滿足進(jìn)化選擇，盡管這是以蛋白穩(wěn)定性為代價(jià)的。對(duì)于半胱氨酸酶來說，這種催化優(yōu)勢促進(jìn)作用并不那么關(guān)鍵，所以Nε和Nδ構(gòu)型均能存在。
總之，作者通過對(duì)絲氨酸和半胱氨酸催化三聯(lián)體的結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)Nε-規(guī)則適用于絲氨酸酶類，這種能量上不利的選擇在進(jìn)化過程中持續(xù)存在，因?yàn)樗鼈冑x予了催化優(yōu)勢，可能是“Frustration in biomolecules“理論的一種形式。
本文作者：WFZ
責(zé)任編輯：JGG
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202206945
文章引用：DOI：10.1002/anie.202206945
