一氧化碳脱氢酶中纠缠的疏水性和亲水性网络

《Chemical Science》：Entangled hydrophobic and hydrophilic networks in carbon monoxide dehydrogenaseOpen Access

　　

一氧化碳脱氢酶（CODH）是参与全球碳循环和碳固定的关键酶，通过催化CO2与CO之间的可逆互变发挥作用。尽管该酶的主要结构特征已知，但结构与功能之间的关键联系仍不清楚。在此，研究人员采用大规模无约束全原子分子动力学（MD）模拟来研究CODH的关键催化特征，包括：（i）CODH二聚化的意义；（ii）底物和水运输空腔；（iii）全局和局部水合作用的影响；以及（iv）金属辅因子周围依赖于质子化的局部溶剂化。结果表明，二聚化涉及金属簇附近的强互锁，自由能分析强调了单体间氢键的作用。重要的是，空腔和通道分析揭示了平行的亲水性和疏水性通路，这些通路能够实现CO2/CO和水向催化位点的高效运输。这可能反映了底物进入与水合作用在空间上交织的进化优化。增强采样使酶的水合作用相对于晶体学模型几乎翻倍，尤其是在C簇附近，而His96、Ile567和Ser525的重排控制了活性位点周围的不同水合通路。此外，His93的质子化状态控制着催化必需的水网络。该研究提供了CODH作为精细调控的分子纳米机器的原子视角，其中纠缠的亲水性和疏水性网络协调底物和水向C簇的输送，而关键蛋白基质残基则充当战略性门控。总的来说，这些发现揭示了二聚化、水合作用和局部蛋白基质如何协同调控CODH功能的关键方面。

论文解读：一氧化碳脱氢酶中纠缠的疏水性和亲水性网络

一、研究背景与问题

一氧化碳脱氢酶（CODH）是一种同源二聚体酶，能够高效催化一氧化碳（CO）与二氧化碳（CO₂）之间的可逆互变，具有高周转率和低过电位，是全球碳循环和碳固定的关键参与者。CODH分为两类：好氧型含Mo-Cu酶和厌氧型含Ni-Fe辅因子酶。在厌氧型CODH中，催化活性依赖于不同的Fe-S簇，即B簇[Fe₄S₄]、D簇[Fe₄S₄]和独特的含镍C簇[NiFe₄S₄]。C簇作为催化中心，而B簇和D簇构成电子传递机制的一部分，确保反应循环中电子的顺畅流动。

尽管晶体学已阐明CODH的主要结构特征，但结构与功能之间的关键联系仍不明确。具体而言，CODH二聚化的根本原因、底物和水运输的具体通路、金属簇附近的动态水合行为以及关键残基质子化状态对催化功能的影响等问题尚未得到充分解答。以往研究虽然通过X射线晶体学和分子动力学模拟探讨了底物进入通道，但水的运动通路和机制仍知之甚少，而水在CO和CO₂的可逆互变中扮演核心角色。此外，晶体结构只能提供静态图像，难以捕捉金属簇附近空腔或通道的动态行为。因此，需要开展大规模分子动力学模拟研究，以原子水平揭示CODH的结构与功能联系。

二、研究内容与意义

研究人员采用大规模无约束全原子分子动力学模拟，系统研究了CODH的关键催化特征，包括二聚化的意义、底物和水运输空腔、全局与局部水合作用以及金属辅因子周围的质子化依赖性溶剂化。该研究发表于《Chemical Science》。

研究发现，CODH的二聚化涉及金属簇附近的强互锁结构，单体间氢键对二聚体稳定性起关键作用。空腔和通道分析揭示了平行的亲水性和疏水性通路，分别实现CO₂/CO和水的运输。增强采样显示酶的水合作用较晶体学模型显著增加，His96、Ile567和Ser525调控活性位点周围的不同水合通路，而His93的质子化状态控制着催化必需的水网络。这些发现揭示了CODH作为精细调控的分子纳米机器的工作机制。

三、关键技术方法

研究人员使用的主要技术方法包括：基于蛋白质数据库（PDB）登录号4UDX的CODH_CH高分辨率晶体结构（1.03 ?）作为初始坐标；利用AMBER 22软件包中的MCPB工具对三种金属辅因子进行参数化；采用ORCA 6.0程序进行量子力学（QM）计算，使用B3LYP泛函和6-311G*基组；通过RESP电荷拟合方法获得辅因子的部分静电原子电荷；使用Propka 3.0预测可滴定氨基酸的pK_a值；采用FF19SB力场和TIP3P水模型构建模拟体系；进行三组独立的200 ns全原子分子动力学（MD）模拟，总计600 ns；使用MM/GBSA方法计算亚基相互作用的自由能；利用fpocket软件的mdpocket模块进行空腔分析。

四、研究结果

3.1 二聚体CODH的结构稳定性

通过对比单体和二聚体形式的MD模拟轨迹，发现二聚体组装表现出良好的结构稳定性，而分离的单体亚基经历更显著的构象波动。主要波动发生在单体内B簇和D簇周围区域。互锁的二聚体单元具有紧凑和紧密堆积的结构，限制了结构扰动，稳定了金属簇的排列，促进了酶的高效功能。

3.1.1 亚基间相互作用稳定B簇和D簇

单体形式中金属簇周围的相互作用残基较少，而二聚化将簇嵌入广泛的相互作用网络中。Arg49在二聚体组装中发挥关键作用，与另一亚基的Arg49和两个水分子形成摇篮状结构容纳D簇。亚基间残基对Arg57_A–Cys39_B、Cys47_A–Arg49_B、Arg49_A–Arg49_B等显著增强氢键网络，强化B簇和D簇的结构完整性。

3.1.2 界面残基相互作用能与二聚体稳定性

MM/GBSA计算确定了关键的界面残基对。Arg49_A与Cys47_B的胍基侧链相互作用贡献?10.2 kcal mol^?1，Glu562_A与Arg84_B之间的盐桥贡献?9.0 kcal mol^?1。B簇和D簇区域的残基是二聚体稳定化的主要贡献者。

3.2 CODH中的功能性空腔：水和底物运输通路

利用mdpocket模块识别了CODH结构中的潜在空腔。MD模拟揭示了两个亚基之间空腔形成的轻微不对称性，这源于固有的构象灵活性和差异性的残基动力学。除与晶体学观察对应的Cavity-1和Cavity-2外，还首次报道了动态出现的Cavity-3。

3.2.1 Cavity-1_A和Cavity-1_B的双重功能特性

Cavity-1_A和Cavity-1_B是朝向C簇的表面连接空腔，主要由疏水性残基构成，适合CO和CO₂等小气态底物的运动。Ile567位于空腔的簇近端，可能作为底物进入C簇环境的局部门控。重要的是，识别出与疏水性底物空腔平行运行的水流通路，由一系列极性和带电残基引导，最终通过His96、His93和Asp219汇聚到C簇。

3.2.2 Cavity-2_A和Cavity-2_B系统

这两个空腔位于两个酶亚基的B簇和C簇之间，具有高疏水性和低极性，可能作为CO₂或CO的运输通路。Cavity-2_A由疏水性残基组成，极少有水分子痕迹；Cavity-2_B虽高度疏水，但观察到两个水分子，由极性残基Ser216_B、Thr569_B和Thr573_B稳定。

3.2.3 动态表征的两亲性Cavity-3

Cavity-3是最大的空腔（体积1160.49 ?³），具有混合的两亲性表面，直接连接B簇和D簇等所有相关金属簇。溶剂进入源于D簇附近的蛋白基质，Arg57_A和Arg57_B在引导水进入网络中发挥重要作用。水流在D簇处分叉为两条分支，分别通向B1和B2簇，实现多个金属辅因子位点的高效水合。

3.3 水合分析

增强采样使酶的水合作用相对于晶体学模型几乎翻倍，尤其是在C簇附近。His96、Ile567和Ser525的重排控制着活性位点周围的不同水合通路。His93的质子化状态控制着催化必需的水网络，表明关键残基的质子化状态对酶功能具有重要调控作用。

五、结论

该研究提供了CODH作为精细调控的分子纳米机器的原子视角。CODH的二聚化通过亚基间氢键网络增强结构完整性并减少波动，确保向C簇的高效电子传递。酶内存在纠缠的亲水性和疏水性网络，平行运行以协调底物（CO₂/CO）和水向C簇的输送。关键蛋白基质残基（如Ile567、His96、His93）充当战略性门控，调控底物进入和水合状态。二聚化、水合作用和局部蛋白基质协同调控CODH功能的关键方面，反映了进化优化的精巧酶学设计，为理解生物CO₂/CO互变机制和设计仿生策略奠定了基础。