物理学院王炜教授和李文飞教授生物物理课题组在单分子酶学理论研究方面取得重要进展,建立了单分子酶学动态能量面理论模型,并揭示出自然界酶克服催化循环中的限速步骤,进而实现高效率催化所采用的物理策略。研究成果以“Overcoming the bottleneck of enzymatic cycle by steric frustration”为题,于2019年6月14日发表在物理学评论快报(Phys.Rev.Lett.,122, 238102 (2019)),该工作是他们与京都大学Shoji Takada教授合作的又一项新成果。
酶是一类生物催化剂,主要以蛋白质分子构成。酶能够特异性地加速细胞内的生化反应,使得本来发生很慢的化学反应能够在微秒、毫秒等生物学相关时间尺度内完成。因此,酶不仅支配着细胞内的能量代谢、基因表达以及物质输运等过程的有序进行,也是人们在分子层次改造生命体的最有力工具。自然界的酶由于进化具备了惊人的催化能力,但酶分子采用怎样的物理策略从而实现高效率催化仍是自然界的未解难题之一。
图1: 酶分子利用底物-产物空间阻挫克服催化循环限速步骤。催化循环中,新底物分子(S1)在上一循环产物(P2)释放之前结合,产生底物-产物共存复合体。由于底物-产物之间的空间阻挫效应,化学势驱动下的底物结合能够有效降低产物释放能垒,从而以主动方式加速限速步骤的发生和催化循环。
酶的催化功能通过催化循环来实现,包括底物结合、化学反应以及产物释放等关键步骤,并与蛋白质分子的构象变化紧密耦合。酶的催化效率主要由催化循环中的限速步骤决定,而产物释放是最普遍的限速步骤。因此,对自然界酶实现高效率催化的物理机制的理解,需要揭示出酶分子克服催化循环中的限速步骤所采取的策略。该研究团队建立了一个描述单分子酶学的动态能量面理论模型,通过模拟计算,在单分子层次上刻画了各个催化步骤的相互耦合,首次实现了对完整催化循环过程的分子模拟,提出了酶实现高效性催化功能的一个新物理机理。他们发现,自然界的多底物酶在底物化学势驱动下,利用底物-产物之间的空间阻挫效应,可以显著降低限速产物的释放能垒,从而实现加速催化循环(图1-2)。与以往人们广为接受的被动产物释放机制不同,这种利用底物结合能来促进限速产物释放的主动机制,给出了一种克服酶催化循环瓶颈的有效物理策略,可能是自然界酶普遍采用的催化策略。特别地,本工作发现的阻挫效应在酶催化循环中的关键作用是有关蛋白质功能物理机制的一个重要更新。以往的研究发现,蛋白质分子为了实现准确、快速折叠,其内部相互作用阻挫需要尽可能小。然而,越来越多的证据表明,蛋白质分子的功能位点通常存在局域相互作用阻挫,但人们对其在蛋白质功能运动中的作用了解有限。本工作的结果首次展现了自然界的多底物酶能够利用底物-产物之间的阻挫效应来加速酶催化。
图2: 作为多底物酶模型的腺苷酸激酶催化机制(负责催化磷酸根转移反应ATP+AMP?ADP+ADP)。(a)腺苷酸激酶在“开态(失活态)”(左)和“闭态(活性态)”(右)的结构卡通图;(b)底物(ATP)-产物(ADP)共存态的活性位点结构以及其空间阻挫示意图;(c)腺苷酸激酶在空载状体的构象自由能面;(d)腺苷酸激酶单分子催化循环的动态能量面理论模型示意图;(e)系综层次的催化动力学以及底物-产物空间阻挫效应对催化速率的贡献;(f)单分子层次的催化时间分布。
总之,该工作从物理学视角给出了酶实现高效率催化功能的一个有效策略,为人们揭示自然界酶催化的基本原则提出了新的认识,对人工设计高催化效率酶提供了新的启示。此外,该工作的理论建模和分子模拟方案,为酶学研究引入新的思路。研究项目得到国家自然科学基金和人工微结构科学与技术协同创新中心项目的支持。
(物理学院 科学技术处)
删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)
王炜教授和李文飞教授课题组在单分子酶学理论研究取得重要进展
本站小编 Free考研考试/2021-02-15
相关话题/物理 空间
缪峰课题组在二锑化钨巨磁阻物理机制研究方面取得重要进展
三十年前,磁性多层结构中巨磁阻效应的发现直接导致了固态存储硬盘的小型化革命。巨磁阻效应一般出现在磁性材料中,非磁性材料通常具有较小的磁电阻;但是,在2014年,有实验发现非磁性块体材料二锑化钨(WTe2)在低温下电阻随磁场的增加出现不饱和增长现象,磁电阻在60T时达到1.3×107%。巨大的不饱和磁 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15《自然·材料》报道物理学院高力波课题组在可控生长环境稳定型二维硒化物薄膜的最新成果
以石墨烯为代表的二维材料,由于具有不同于其块体材料的特殊力、热、光、电、磁等物理性能,在多个学科领域掀起了研究热潮。其中,二维化的过渡金属硫族化合物,包括过渡金属硫化物(例如MoS2、WS2、ReS2等)、硒化物(例如WSe2、NbSe2、TiSe2、InSe、FeSe等)和碲化物(例如WTe2等) ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15南京大学BESIII实验团队陈申见教授课题组在粲物理研究方面再次取得重要进展
我校物理学院北京谱仪(BESIII)实验团队陈申见教授课题组在粲物理的实验研究方面再获重要成果,论文“StudyoftheD0→K-μ+νμDynamicsandTestofLeptonFlavorUniversalitywithD0→K-l+νlDecays”发表在最新一期《物理评论快报》上【Ph ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15物理学院声学所程建春教授课题组在Physical Review Letters发表声学陈绝缘体的最新实验工作
我校物理学院声学研究所、人工微结构科学与技术协同创新中心程建春教授和梁彬教授在声拓扑绝缘体方面取得重要突破,首次在实验上实现了声陈绝缘体(AcousticChernInsulator)并观察到了单向边界态。最新研究成果以“ExperimentalRealizationofAcousticChernI ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15物理学院李绍春课题组首次制备出大面积具有黑磷结构的Sb单层
近日,物理学院李绍春教授课题组利用分子束外延技术首次生长出大面积高质量的黑磷结构(alfa相)的单层Sb,利用扫描隧道显微镜对结构性质进行了表征,并与中国科学技术大学物理系的朱文光教授课题组合作进行了第一性原理计算。该工作以“VanderWaalsHeteroepitaxialGrowthofMon ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15著名物理学家冯端院士逝世
我国著名物理学家、金属和晶体材料学家、教育家,第六、七、八届全国人大代表,中国科学院院士、第三世界科学院院士、第五届中国物理学会理事长,南京大学研究生院首任院长、物理学院教授冯端先生,于2020年12月15日19时41分在南京去世,享年98岁。冯端院士1923年7月23日出生于江苏苏州,1942至1 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15国土空间规划战略合作签约仪式举行 我校与自然资源部签订战略合作协议
为学习贯彻党的十九届五中全会精神,推动《中共中央国务院关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》落实,11月25日,在自然资源部的支持下,南京大学、同济大学及北京大学与自然资源部职业技能鉴定指导中心签订战略合作协议。战略合作协议包括共建国土空间规划人才研究与培训中心,在人才培养、干部培训、职业教 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15我校教师出席国土空间规划人才培养高校座谈会 为国土空间规划工作建言献策
11月24日下午,国土空间规划人才培养高校座谈会在江苏省南京市钟山宾馆举行。本次座谈会由自然资源部国土空间规划局主办,南京大学、自然资源部职业技能鉴定指导中心联合承办。会议结合教育部高等教育司《关于启动国土空间规划相关领域教学资源建设工作的通知》安排,围绕国土空间规划相关学科建设、知识体系、专业建设 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15南京大学“科创之星”大学生众创空间获江苏省级众创空间备案
日前,根据江苏省科学技术厅发布的《省科技厅关于公布2020年度省级备案众创空间的通知》(苏科高发〔2020〕229号),南京大学“科创之星”大学生众创空间被正式认定为江苏省级众创空间。南京大学“科创之星”大学生众创空间位于南京大学仙林校区,载体面积近3000平方米,设有3D打印室、机器人工作室、全息 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15国土空间规划人才培养体系优化座谈会在我校召开
7月10日至11日,南京大学建筑与城市规划学院、地理与海洋科学学院共同举办了“国土空间规划人才培养体系优化座谈会”。来自国内30余所高校、规划设计院、规划管理部门的100余名专家****共聚线上,开展了深入交流和讨论。座谈会围绕国土空间规划人才培养的“供给侧”和“需求侧”分两个专场展开。“高校国土空 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15