“困扰科学界数十年 “红色万能酶”全长结构终被破解”

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p450酶含有血红素，可以催化羟基化、环氧化、脱烷基化、碳碳偶联、氧化分解等各种反应，因此被称为“红色万能酶”，可以通过酶催化处理药物和化学品生产过程带来的环境污染问题。 但是，p450酶被发现几十年来，其晶体结构一直没有得到解析，催化机制也困扰着科学界。

近日，湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家要点实验室的陈纯琪教授团队与马新教授、郭瑞庭教授合作，成功破解难题，在完善p450酶催化机理的研究上取得了重要突破:揭示了电子从还原酶区进入基质结合区的反应机制。 相关研究成果发表在最新一期《自然通讯》上。

容易断裂分解，难以弄清p450酶的真实身份

“自然界中存在非常多种不同类型的p450酶，参与细胞的生理调控、药物代谢、多种重要药物的合成。 ’陈纯琪介绍说，例如，我们人类的染色体上有50多个含p450酶的基因，负责合成胆固醇、类固醇激素、维生素d等重要化合物。 多种具有药物活性的植物或微生物次生代谢物(青蒿素、紫杉醇等)，P4·50酶负责催化合成的另一种药物化学结构多而复杂，单纯用人工合成的方法进行大量生产极为困难，P4·50酶精确控制了这种多而复杂的过程

科学家发现P4-50酶可以识别多种底物(参与生化反应的物质)，利用基因工程改造P4-50酶，根据需要定制化学反应成为了热门的研究方向。 年获得诺贝尔化学奖的阿诺德教授因改造p450酶实现各种特殊的化学反应而获奖。

完善的p450酶系统由带血红素基质结合区的3个部件组成。 产生电子的还原酶； 连接底物结合区和还原酶的通道。 “这就像不通电就无法工作的电器，血红素的基质结合区就像电器本身，供电插座就像还原酶，电线就是连接两端的电子通道。 ”陈纯琪解释说，构建p450酶反应系统时，需要所有组件齐全，需要组装后进行催化反应。 一点三种组件串联的p450酶被称为“自给自足p450酶”，这样的系统不需要另外寻找匹配的“供电器”和“电线”。 因为它在应用时有很大的特点，也是便于科学家们研究的“明星”p450酶。

从p450酶的血红素结合区识别底物的机制研究已经相当成熟，底物结合区的改造工程也有非常多的研究报告，但电子如何从还原酶输送到活性中心还有很多不清楚的地方。 这需要完全看到p450酶的晶体结构，也就是酶的脸。 全长p450酶在表达、纯化后，由于酶蛋白容易切割、分解，难以获得完整的晶体，识别全长p450酶的结构也没有突破。

“看到”全长结构，解开p450酶催化途径

陈纯琪领导的结构生物学研究小组经过不懈的努力，在耐热菌中发现了来源于“自给自足”的p450酶。 该p450酶在70℃的高温下也特别稳定，不会破坏或分解。 这是因为特别容易结晶。 陈纯琪团队利用先进的x光结晶学技术，成功解析了“自给自足p450酶”的高分辨率全长结构。

“我们经过研究发现，p450酶整体的3个组成部分，从基因序列开始依次为血红素结合区——还原酶域——铁氧还原域。 这三个领域各有一个辅助因子，三个辅助因子成为p450酶内部电子传播的中转站。 电子传播就像发送快递，需要通过几个中转站。 ”。 陈纯琪指出，根据晶体结构，血红素结合区和还原酶分别位于整个蛋白质的两端，血红素结合区边缘朝外，开口便于基质进入，但电子传播经过几个中转站，最终成功地对血红素进行了酶催化反应。

科学家注意到中间有多种氨基酸，其中一些证实了p450酶的电子传递非常重要。 这是国内外首次解析“自给自足p450酶”全长三维结构，是一个非常重要的里程碑，对其他各类p450酶的改造和应用具有重要的指导意义。

陈纯琪说，他们的研究小组目前正在利用得到的结构学新闻，加速p450酶的更深入的设计改造，培育出催化越来越重要的反应的新酶，早日实现p450酶的绿色生物技术制造，应用于生物科学技术、制药工程和化工产业