中科院科学家利用非天然氨基酸在金属蛋白功能机理研究方面获得新

2015年04月07日

 

 

2015年4月7日讯 /生物谷BIOON/ --2015年 2月11日,中科院生物物理所王江云研究组在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上发表了最新研究成果。在这篇题为“Defining the Role of Tyrosine and Rational Tuning of Oxidase Activity by Genetic Incorporation of Unnatural Tyrosine Analogs”的论文中,研究人员通过基因编码的方法将一系列类似酪氨酸的非天然氨基酸引入基于肌红蛋白的氧化酶,作为光谱探针研究含自由基的反应中间体,并通过改变pKa调节了氧化酶的酶活,揭示了酪氨酸质子传递能力对酶活的影响。

血红素-铜氧化酶是一类在呼吸链末端高效催化氧气还原为水的金属蛋白酶。在这类酶的活性中心有一个保守的酪氨酸。学术界认为这一残基在反应中贡献质子和电子,并在反应中生成自由基中间体。而这个酪氨酸中的苯酚环pKa和其对酶催化活力的影响尚不清楚。

王江云课题组的研究人员将一系列卤代酪氨酸通过基因编码的方式引入基于肌红蛋白的氧化酶(一种血红素-铜氧化酶模型)中。进而通过测定含非天然氨基酸的突变体,揭示了氧化酶活性与酪氨酸的pKa存在线性关系。通过引入一系列非天然氨基酸,实现了在一定范围内调节氧化酶活性的目标,揭示了酪氨酸质子传递能力对酶活的影响。本研究发展了非天然氨基酸作为光谱探针的方法,利用含卤素和氘原子的非天然氨基酸具有不同电子顺磁共振信号的特点,确定了在与过氧化氢反应中生成的自由基源自活性中心的酪氨酸。


这一研究不仅直接证明了酪氨酸贡献质子能力与反应活性的联系,并提供了通过非天然氨基酸提高酶活的方法,还为金属蛋白的理性设计方面提供了提供了借鉴思路和新的实验手段。今后人们将可以利用非天然氨基酸作为探针,定向研究多种蛋白中关键氨基酸相关的功能机制。

英文摘要:

JACS  

Defining the Role of Tyrosine and Rational Tuning of Oxidase Activity by Genetic Incorporation of Unnatural Tyrosine Analogs

Yang Yu, Xiaoxuan Lv, Jiasong Li, Qing Zhou, Chang Cui, Parisa Hosseinzadeh, Arnab Mukherjee, Mark J. Nilges, Jiangyun Wang, and Yi Lu

While a conserved tyrosine (Tyr) is found in oxidases, the roles of phenol ring pKa and reduction potential in O2 reduction have not been defined despite many years of research on numerous oxidases and their models. These issues represent major challenges in our understanding of O2 reduction mechanism in bioenergetics. Through genetic incorporation of unnatural amino acid analogs of Tyr, with progressively decreasing pKa of the phenol ring and increasing reduction potential, in the active site of a functional model of oxidase in myoglobin, a linear dependence of both the O2 reduction activity and the fraction of H2O formation with the pKa of the phenol ring has been established. By using these unnatural amino acids as spectroscopic probe, we have provided conclusive evidence for the location of a Tyr radical generated during reaction with H2O2, by the distinctive hyperfine splitting patterns of the halogenated tyrosines and one of its deuterated derivatives incorporated at the 33 position of the protein. These results demonstrate for the first time that enhancing the proton donation ability of the Tyr enhances the oxidase activity, allowing the Tyr analogs to augment enzymatic activity beyond that of natural Tyr.

来源:长沙凯诺生物科技有限公司

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