揭示谷氨酸开关机制：植物H+-焦磷酸酶质子转运的分子动态耦合机制

本研究针对植物膜结合焦磷酸酶（M-PPases）质子转运过程中质子化状态与构象变化的动态耦合难题，通过恒定pH分子动力学（CpHMD）和经典分子动力学（MD）模拟，首次阐明Vigna radiata H+-PPase中K742去质子化触发E301穿透疏水门形成质子通道的"谷氨酸开关"机制，为理解植物能量转换提供新范式。

　　

在植物细胞的能量代谢舞台上，膜结合焦磷酸酶（Membrane-bound pyrophosphatases, M-PPases）扮演着将焦磷酸（PPi）水解与质子跨膜转运耦合的关键角色。这类酶通过水解PPi释放的能量驱动H⁺或Na⁺的主动运输，为次级主动运输提供驱动力。然而长期以来，科学家们对植物H⁺-PPases质子转运的精确分子机制存在两大谜团：一方面，质子如何在离子门（R242/D294/K742/E301）与疏水门（L232/A305/L555/V746）之间实现高效传递；另一方面，质子化状态变化与构象动态如何实现精确耦合。这些问题的悬而未决，主要源于实验手段难以捕捉转运过程中的瞬态中间态。

为破解这一科学难题，国立清华大学生命科学研究所暨生物资讯与结构生物学研究所的研究团队选择Vigna radiata H⁺-PPase（VrH⁺-PPase）为研究对象，通过整合计算生物学与结构生物学方法，首次揭示了"谷氨酸开关"调控质子转运的全新机制。这项发表于《Biophysical Journal》的研究，不仅阐明了植物H⁺-PPases质子转运的原子尺度动态过程，更发现了在进化上高度保守的调控模式。

研究人员采用恒定pH分子动力学（constant pH molecular dynamics, CpHMD）模拟技术，结合经典分子动力学（molecular dynamics, MD）模拟，系统研究了PPi结合与水解过程中关键残基质子化状态的变化规律。通过构建野生型与突变体模型，追踪了从离子门到疏水门的质子传递路径动态变化。特别关注了K742、E301等关键残基在不同反应阶段的构象变化与质子化状态。

研究首先发现PPi结合诱导K742去质子化，提示该残基可能作为内源性质子供体。当K742失去质子后，相邻的E301发生显著构象变化——穿透原本由L232/A305/L555/V746组成的疏水门区域，将疏水环境转化为亲水通道。这种"谷氨酸穿透"现象为质子传递创造了有利的微环境，证实E301发挥着分子开关的核心作用。

在PPi水解阶段，D294接受水解产生的质子而发生质子化，进而引发R242构象变化形成"正电塞"，阻止D294重新去质子化。与此同时，D294的质子化状态改变导致E301从疏水门回撤，促使疏水门关闭。这种精密的构象耦合揭示了质子传递与门控机制协同工作的分子基础。

通过比较不同植物H⁺-PPases的序列和结构特征，研究进一步提出"谷氨酸穿透"是植物H⁺-PPases的共同特征。这种保守性暗示其在维持疏水门区域亲水环境中的关键作用，可能是植物H⁺-PPases高效质子转运的结构基础。

这项研究的重要意义在于首次完整描绘了植物H⁺-PPases质子转运的原子尺度电影：在PPi结合态依赖K742去质子化启动转运，在PPi水解态通过D294质子化完成循环，而E301作为动态开关精确调控疏水门的开闭。这一发现不仅解决了长期困扰领域的两大机制争议，更为设计调控植物能量代谢的分子工具提供了理论依据。由Yu-Sung Huang、Jia-Yin Tsai等学者领导的这项研究，为理解膜转运蛋白的动力学调控机制树立了新范式。