酶催化来啦！

编者按

[Fe]-氢化酶是一种存在于微生物体内的含铁蛋白酶，它的作用是在底物次甲基四氢甲基喋呤（CH-H₄MPT⁺）存在下，催化氢气异裂，并将产生的负氢离子转移给次甲基四氢甲基喋呤（CH-H₄MPT⁺）使之转化为亚甲基四氢甲基喋呤（CH₂-H₄MPT）。这一催化过程是微生物将二氧化碳转化为甲烷的一个关键步骤。研究表明[Fe]-氢化酶活性中心（FeGP cofactor）由一个铁原子分别和吡啶氮原子, 酰基碳原子, 半胱氨酸硫原子, 一对顺式羰基的两个碳原子以及一个水分子配位。其中水分子在酶裂解氢气过程中可以脱离，提供空位点供氢分子靠近铁原子。科学家们在[Fe]-氢化酶活性中心结构的模拟上做了大量研究工作，人工模型的结构已和天然酶活性部位十分相似。然而，这些人工模型物均未能像天然酶那样去温和的催化氢气异裂，这是为什么呢？马克斯-普朗克研究所的Shima研究组和洛桑理工学院的Hu研究组以下的合作研究揭示了可能的原因。

研究思路

如Figure 1所示，论文作者的研究的策略是利用已合成的酶活性中心模型物和去除活性中心的蛋白质部分（脱辅酶）重组得到重组酶，再通过研究重组酶的催化活性，以期望找到此前酶活性中心模型物无法异裂氢气的原因。

Figure 1| Reaction catalysed by [Fe]-hydrogenase and reconstitution of [Fe]-hydrogenasewith the model complexes of the FeGP cofactor. (a) [Fe]-氢化酶催化过程示意图; (b) [Fe]-氢化酶活性中心（FeGP-cofactor）结构示意图，人工模型物不含结构中红色显示的部分; (c) 人工模型和脱辅酶重组研究策略示意图。

实验现象

Figure 2中所示的模型物1-4是迄今人们合成出的最接近天然[Fe]-氢化酶活性中心的结构，但是考虑到稳定性和溶解度的影响，作者最终选用了模型物3和4。

Figure 2 | Structures of synthetic models of the FeGP cofactor.

他们将3和4均通过甲醇和乙酸处理，得到了在水中溶解度较好的3i和4i。3i和4i的不同之处是3i的吡啶2位像天然酶活性中心一样是一个羟基，而4i则和天然酶活性中心不同，在吡啶2位是一个甲氧基。对3i和4i和蛋白质的重组酶活性研究他们发现：（1）3i和含cys176(脱辅酶上用于和酶活性中心铁原子配位的半胱氨酸)脱辅酶混合之后催化氢气异裂并将CH-H₄MPT⁺转化为CH₂-H₄MPT的正逆向反应速率分别为3 U mg^-1和2 U mg^-1（此处U mg^-1为比活力的单位，比活力是指每毫克蛋白质所具有的酶活力），相应的TOF分别为2 s^-1和1 s^-1，这个催化速率高于大多数人工催化剂的催化速率（通常为10^-3 s^-1到0.1 s^-1）,说明蛋白环境很重要；（2）在加入鸟苷磷酸（Figure 1b中吡啶环4位的结构）时，3i和含cys176的脱辅酶混合完成重组的比例相比于未加入鸟苷磷酸的情况下明显提高，催化速率比未加入鸟苷磷酸的情况下要高一倍；说明吡啶环4位的鸟苷磷酸重要；（3）将3i和不含cys176（天然[Fe]-氢化酶中用于连接酶活性中心的半胱氨酸）的脱辅酶混合后发现没有催化活性，再加入鸟苷磷酸后仍然没有催化活性，说明cys176很重要；（4）4i和含有cys176脱辅酶混合物在鸟苷磷酸存在条件下催化氢气异裂并将CH-H₄MPT⁺转化为CH₂-H₄MPT的正逆向反应速率仅有0.01 U mg^-1，明显低于同样条件下3i的正反速率3 U mg^-1和2 U mg^-1，说明吡啶2位的羟基很重要。

结论

1. 单纯的人工合成的[Fe]-氢化酶模型物无法高效催化氢气异裂，这是因为它们缺乏一个复杂的蛋白质环境；

2. [Fe]-氢化酶活性中心的吡啶4位的鸟苷磷酸在脱辅酶识别方面可能起到了重要作用，它能够协助模型物和脱辅酶进行重组；

3. 酶活性中心需要通过位点cys176连接到脱辅酶上，否则半胱氨酸无法完成活性中心模型物和脱辅酶的重组；

4. 酶活性中心吡啶2位羟基在氢气异裂过程中发挥了重要作用，羟基缺失将导致催化活性将大大降低。

科研体悟

利用人工模型物和去除活性中心的蛋白质（脱辅酶）重组的方式可以得到半人工合成酶，通过对重组酶活性分析证明了人工[Fe]]-氢化酶模型之所以不能像天然酶那样高效催化氢气异裂是因为这些模型物缺乏像生物体一样的蛋白质环境。同时，该研究证明了酶活性中心吡啶环上的鸟苷磷酸和吡啶羟基在蛋白质识别和裂解氢气方面起到重要作用。在过去的研究中人们主要针对酶活性中心和铁原子直接配位的部分进行模拟，虽然在核心结构上模拟出了天然酶活性部位的重要结构特征，但对于生物体精细的蛋白质环境的模拟却是一个巨大难题。因此笔者认为基于[Fe]-氢化酶活性中心结构特点去设计性能优良的催化剂将是今后[Fe]-氢化酶仿生化学的一个重要研究方向。

关键词：[Fe]-氢化酶；重组酶；氢气异裂；脱辅酶；模型物

参考文献：Shima, S.; Chen, D.; Xu, T.; Wodrich, M. D.; Fujishiro, T.; Schultz, K. M.; Kahnt, J.; Ataka, K.; Hu, X. Reconstitution of [Fe]-hydrogenase Using Model Complexes. Nat. Chem. 2015, 7, 995−1002.

原文链接：

https://www.nature.com/articles/nchem.2382

封面图片来源：

https://www.mpi-marburg.mpg.de/shima

https://www.techexplorist.com/carbon-neutral-fuels-move-step-closer/24073/

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