首个细胞色素 P450 酶全长精细三维结构被破译，具有重要应用价值

首个细胞色素 P450 酶全长精细三维结构被破译，具有重要应用价值

解决数十年的科学难题

通用生物催化剂不再神秘

P450的完整酶结构由郭瑞婷提供

■本报记者 李晨

近日，《自然通讯》（ ）杂志在线发表了细胞色素P450酶的第一个全长详细三维结构，解决了这一几十年来一直未能解决的科学难题。

湖北大学生命科学学院陈春启、马立新、郭瑞婷教授团队解析了P450酶的晶体结构，阐明了分子内电子的转移过程，为深入理解P450酶的结构和完整作用机理提供了重要指导，对P450酶在医药、工业领域的应用具有重要价值。

通用生物催化剂

细胞色素P450是一种酶蛋白，1955年首次在小鼠肝细胞中发现，因其与一氧化碳结合时的还原态吸收光谱波长约为450纳米而得名。

“细胞色素P450是一个大的酶家族，简称CYP，参与多种天然产物的合成途径以及毒物、药物的代谢反应。”该论文的通讯作者陈春启告诉《中国科学报》。

P450催化通用性强，涉及羟基化、环氧化、环化等20余种反应，底物谱极广，可识别芳香族、聚酮、萜类、多肽、糖等多种类型底物，被誉为“万能生物催化剂”。

“绝大多数P450酶都需要氧化还原酶提供电子，激活底物结合区的血红素，进而进行底物转化。”陈春启说，建立P450系统，需要找到同源或匹配的氧化还原酶。

在9个P450系统家族中，只有两个家族在同一条多肽链上存在自己的氧化还原酶，称为自给性P450酶，这些酶主要来源于细菌；其他P450系统则需要从外界获得与之相匹配的氧化还原酶，这主要发生在动物身上。

“自给自足的P450酶是生物技术应用领域极具吸引力的生物催化剂，因此，自给自足的P450酶内电子是如何转移的是一个非常有趣且重要的课题。”该论文的通讯作者郭瑞婷告诉《中国科学报》，此前科学家们对P450系统中血红素、黄素单核苷酸（FMN）等结构域研究得比较清楚，但对中间的连接部分一直不太了解，也缺乏全长的精细结构。

获取全长 P450 的详细三维结构

目前已知的自给性P450酶有两种，第一种以巨大芽孢杆菌为代表，其氮端由血红素结构域组成，碳端由P450还原酶（CPR）组成，电子传递方向由碳端向氮端。虽然该类P450酶的全长精细结构尚不清楚，但关于该类P450酶的电子传递机制已有一些粗略的理论。

第二种类型，即本研究涉及的类型，由氮端的血红素结构域和碳端的邻苯二甲酸双加氧酶还原酶样结构域（PDR）组成，其中包含FMN依赖性还原酶结构域和铁氧还蛋白结构域。

“我们分析了全长的晶体结构，建立了清晰的酶结构模型。”郭瑞婷说，这种连续的多肽折叠成三个结构域，由两个连接肽连接，从氮端到碳端，它们分别是血红素结合结构域、还原酶结构域和铁氧还蛋白结构域。

郭瑞婷介绍，经过结构分析发现，三个结构域的排布与电子传递方向十分一致，其中血红素结合结构域的底物结合区域朝外，有利于底物的进入和结合，说明该结构的排布相当合理。

5 个“”转移电子

“其他辅助因子帮助两个氧化还原中心之间进行电子转移的可能性较小”，郭瑞婷解释道，因为结构显示两者之间的通道较窄，缺乏其他辅助因子结合的特征。另一方面，考虑到氨基酸也是电子载体，两者之间的氨基酸也可能在电子转移过程中发挥重要作用。

为了分析这些氨基酸侧链基团对酶活性的影响，他们将这些位点突变为丙氨酸，并测量产生的产物的量，以评估每种氨基酸所起的作用。

郭瑞婷介绍，酶活性检测结果显示，R388、R718、E723、S726、E729等丙氨酸突变体的活性明显降低，通过在结构上重新标记这些位点，可以看出电子传递的大致方向。

“知道了氨基酸在电子传递过程中的作用后，我们可以考虑寻找其他有效的替代氨基酸，提高电子传递的效率。”郭瑞婷解释道，这就像是给“二传手”换上了一条更长的臂，让电子能够更快地传递。

这一设计将提高催化反应的效率，P450全长结构的解析是理解自给自足P450酶催化机理的一个非常重要的里程碑，对P450酶的改造及应用具有重要的指导意义。

相关论文信息：