“电化学叶” 技术：拓展蛋白质膜电化学研究非氧化还原酶及金属离子反应

研究人员利用 “电化学叶”（e-Leaf）拓展蛋白质膜电化学（PFE），研究非氧化还原酶和金属离子反应，成果意义重大。

　　在生命的微观世界里，酶就像一群勤劳的 “小工匠”，它们参与着生物体几乎所有的化学反应，维持着生命的正常运转。而金属离子，对于许多酶来说，就像是它们手中不可或缺的 “工具”，直接或间接影响着酶的活性。在生物无机化学领域，研究酶与金属离子的关系一直是个热门话题。然而，传统研究方法存在不少难题。比如，那些不参与电子转移、也不催化氧化还原反应的酶，还有光谱检测受限、不稳定的金属离子，想要深入研究它们的反应，简直困难重重。而且，以往研究大多只能针对特定类型的酶，研究范围很窄，难以全面了解酶与金属离子之间复杂的相互作用。为了攻克这些难题，来自英国曼彻斯特大学、美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校和英国牛津大学的研究人员，开展了一项极具创新性的研究，相关成果发表在《JBIC Journal of Biological Inorganic Chemistry》上。

研究人员利用 “电化学叶”（e-Leaf）这一新兴技术，对蛋白质膜电化学（PFE）进行了拓展。PFE 原本主要用于研究电子转移蛋白和酶，但在面对众多非氧化还原酶和难以检测的金属离子时却束手无策。而 e-Leaf 就像是给 PFE 装上了 “超级翅膀”，让它能够突破局限，飞向更广阔的研究领域。

研究人员用到的主要关键技术方法包括：首先是构建 e-Leaf 装置，通过电泳在合适电极上沉积氧化铟锡纳米颗粒，形成具有特定孔径的多孔材料，用于固定酶；其次是运用循环伏安法和计时电流法，这两种电化学方法能分别展示电流随电极电位和时间的变化，从而获取酶反应的热力学和动力学信息。

下面来看看具体的研究结果：

• 脱氢酶的研究（Zn²⁺和 Mg²⁺依赖型）：研究人员以 NAD (P) 依赖的醇脱氢酶（ADH）为例进行研究。不同结构和底物选择性的 ADH 被加载到电极孔中，通过改变 pH 或底物浓度比，能操控其热力学催化偏向。比如，来自嗜热厌氧乙醇杆菌的 ZnADH 是四聚体，每个单体含一个紧密结合的催化 Zn²⁺，对 S - 对映体有选择性；而来自开菲尔乳杆菌的 ADH 不依赖 Zn²⁺，依赖两个不稳定的 Mg²⁺来维持活性构象，对 R - 对映体有选择性。利用这两种酶的差异，研究人员设计了用于仲醇的消旋化 / 立体反转体系。另外，对于异柠檬酸脱氢酶（IDH），它是 Mg²⁺依赖的酶，催化异柠檬酸氧化脱羧生成 2 - 氧代戊二酸（2OG）。2OG 是重要代谢物，IDH 突变与多种癌症相关。研究人员通过 e-Leaf 研究了 IDH1 的野生型和突变型（如 R132H），发现 R132H 突变体几乎失去异柠檬酸氧化活性，转而催化 2OG 还原为 2 - 羟基戊二酸（2HG），且对 Mg²⁺结合亲和力大幅降低。通过监测药物 ivosidenib 对突变体的抑制作用，研究人员详细了解了其抑制动力学。
• 激酶的研究：进一步拓展远离电子转移的研究：将激酶整合到 e-Leaf 中，为研究开辟了新方向。以羧酸还原酶（CAR）为例，它能利用 NADPH 和 ATP 将羧酸还原为醛，其中 ATP 是 Mg²⁺的复合物。通过 CAR，e-Leaf 电极中的电催化电流可追踪共加载激酶的作用。研究发现，激酶对 ATP 的高效积累和循环，比直接添加 ATP 作为反应物更有效，且整个电催化速率对腺苷酸激酶（AK）更敏感。

在研究结论和讨论部分，e-Leaf 技术展现出诸多优势。它操作简便，不仅能快速筛选与复杂酶系统相互作用的物质，还能在高酶浓度稳态条件下，获取亲和力和动力学的定量数据，这是传统酶研究难以做到的。而且，电化学方法控制和测量酶活性的能力，通过 e-Leaf 成功拓展到非氧化还原酶领域。虽然目前合成环境与酶的自然环境存在差异，但 e-Leaf 中蛋白质分子的高浓度状态更接近活细胞内环境，这为研究提供了新的思路。此外，e-Leaf 还可能为光谱学研究带来新机遇，有望让我们更深入地探索酶与金属离子的奥秘，为生物无机化学和相关医学领域的发展提供有力支持。