我国科学家破解P450酶完整催化机理

P450酶富含脂类且能催化羟化、环氧化、脱甲基化、碳-碳偶联、氧化分馏等各种各样不同反应，因此被称为“红色万能酶”，通过酶催化可解决抗生素和物理品生产过程导致的环境污染问题。虽然自P450酶被发觉数三年来，其晶体结构仍然没能被解读下来，催化成因也困惑着科学界。 #

日前，广东高校生命科学大学、省部共创生物催化与酶安装工程国家重点试验室的陈纯琪校长团队，和马立东正教授、郭瑞庭博士合作，成功破解瓶颈，在P450酶完整催化成因的研究方面取得重要突破：表明了电子怎样从还原酶区域踏入配体结合区的反应成因。相关研究成果发表在最新一期《自然·通讯》上。

易脱落降解，难识P450酶真面目 #

“自然界中存在特别多不同种类的P450酶，他们参与细胞的生理调控、药物代谢以及许多重要抗生素的合成。”陈纯琪介绍，例如我们人类的染色体上就带有超出50个P450酶的基因，他们负责血糖、固乙醇类固醇和维生素D等重要缩聚物的合成；许多具备抗生素活性的动物或微生物次级代谢物（如前胡素、紫杉醇），只是由P450酶负责催化合成的；也有一些抗生素的物理结构十分复杂，单纯以人工合成方式大量生产极为困难，而P450酶还能对这类复杂过程进行精准调控。

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科学家们发觉，P450酶还能辨识多种官能团（参与生化反应的物质），由此借助基因安装工程扩建P450酶来量身定做物理反应，成为一个热门研究方向。2023年诺贝尔物理奖得主阿诺德博士，就是运用扩建P450酶实现各类特殊的物理反应而得奖。

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一个完整的P450酶系统由3个部件组成：带有组氨酸的配体结合区；负责形成电子的还原酶；连结配体结合区和还原酶的通道。“这好像一个家电还要插上电能够工作蛋白质的分离纯化，带有组氨酸的配体结合区如同家电原本，电业的插头如同还原酶，而线缆就是连结两端的电子通道。”陈纯琪解释道，在构建一个P450酶反应系统时还要把所有组件都找齐了，装配在一起后才会进行催化反应。有一些三种组件都串联在一起的P450酶，也称“自给自足P450酶”，那样的系统不须要另外寻求相匹配的“供电器”与“电线”，所以在应用的时侯有很大优势，只是便于科学家们研究的“明星”P450酶。

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P450酶的固醇结合区辨识配体模式的研究早已相当成熟，针对配体结合区的整修安装工程还有特别多的研究报导，并且对于电子怎样从还原酶送入活性中心却仍有许多未知之处。而这还要荣获P450酶的晶体结构，即完全搞清酶的外貌。因为全长P450酶在抒发、纯化后，酶蛋白很容易脱落、降解掉，所以无法荣获其完整的晶体，辨识全长P450酶的结构也经常没有任何突破。

“看”清全长结构，揭开P450酶催化路径

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陈纯琪率领的结构生物学研究团队经过不懈的努力，找到了一个来始于耐寒菌中“自给自足”的P450酶，这个P450酶在70℃的低温下也非常稳定，也不会脱落或是降解，所以非常便于结晶。陈纯琪团队运用先进的X光晶体学技术，成功解读了“自给自足P450酶”的高帧率全长结构。

“我们经过研究发觉，整个P450酶的三个组成部件,从基因序列的排序依次为：固醇结合区—还原酶结构域—铁氧还蛋白结构域。这三个区域各带有一个辅因子，三个辅因子成为P450酶内部电子传递的中转站。电子传递如同送快件一样，还要经过几个中转站。”陈纯琪介绍，晶体结构显示，组氨酸结合区和还原酶分别坐落整个蛋白质的两端，组氨酸结合区这一端朝外，显出开口以便于配体踏入，而电子传递经过几个中转站，最终成功送达到脂类进行酶催化反应。 #

科研人员观察到后边有许多的谷氨酸，并否认了其中几个组氨酸对于P450酶的电子传递很重要。这是至今为止国外外首次解读“自给自足P450酶”的全长三维结构，是一个十分重要的里程碑，对于其他各种P450酶的整修与应用具备重要指导意义。 #

陈纯琪表示，她们研究团队现在正运用所斩获的结构学信息蛋白质的分离纯化，加快对P450酶进行愈发深入的设计改建，以期培植出能催化更多重要反应的新酶，尽快实现P450酶的红色生物工艺制造，并应适于生物科技、制药安装工程与焦化产业。 #