格罗宁根大学的科学家们观察了纳米孔内单一酶的特性。这表明该酶可以存在于四种不同的折叠态或构象中，在反应机制中起着积极的作用。这些结果将对酶工程和抑制剂的开发产生重要影响。这项研究发表在4月6日的《自然化学》杂志上。
图片来源:吉奥瓦尼·马格利亚，格罗宁根大学/ Eurekalert.com
酶是一种折叠蛋白，它具有特定的三维结构，可以创建一个活性位点，与底物结合并催化特定的反应。近年来，人们越来越清楚地认识到，酶并不是刚性结构，而是折叠蛋白在能量稳定的基态周围作为平衡态构象的集合而存在。
研究状态之间的转变需要长时间地观察单酶，这是一个挑战。格罗宁根大学(University of Groningen)化学生物学副教授乔瓦尼·马格里亚(Giovanni Maglia)开发出了能够捕捉蛋白质的漏斗状纳米孔。
通过测量嵌在人工脂膜上的纳米孔的离子流，Maglia能够观察到酶的构象变化。他解释说:“你可以把它比作在风洞里研究汽车。”“打开窗户或门会改变气流。同样地，酶折叠结构的改变也会改变通过小孔的离子流。”
Maglia利用他的纳米孔系统研究了将二氢叶酸转化为四氢叶酸的酶-二氢叶酸还原酶(DHFR)。
我们选择这种酶，是因为它作为酶动力学的模型系统已经研究了30多年，使用了所有可用的技术。此外，这种酶的抑制剂，如甲氨蝶呤，被用作抗癌药物。”
格罗宁根大学的乔瓦尼·马格利亚
对DHFR的测定发现了四种不同的构象，它们对底物的亲和性也不同。Maglia:“在这四种状态之间切换非常慢。这意味着你只能在这些持久的单酶研究中看到它们。”
加入反应抑制剂甲氨蝶呤，它结合到酶，导致一个非常迅速的状态转换和改变酶的亲和力。“我们的结论是，酶与不同化合物的反应为构象变化提供了自由能，”Maglia说。
构象的改变也改变了酶的亲和力。这是有道理的，因为酶需要结合两个底物，完成反应后，必须释放两者。“底物和产物是非常相似的分子，所以酶需要改变其亲和力才能有效释放。”
基于这些研究，Maglia可以看到酶在两种状态之间的切换:NADPH与底物结合后驱动反应，然后改变酶的构象，从而改变酶的亲和力。随后，绑定一个新的衬底使它回到第一状态。“这解释了我们观察到的四种构象中的两种;我们还不能理解其他两个，”Maglia承认。不可能从测量中得出结构信息。
然而，这项研究显示了纳米孔技术在确定酶的结构变化方面的力量。“我们现在还知道，这种酶有四种不同的基态，必须在它们之间切换才能发挥作用。”“这给酶的设计带来了挑战:不仅要产生一个反应中心，还要允许必要的构象变化。”
这也许可以解释为什么人工设计的酶常常不如天然酶有效。’”
格罗宁根大学的乔瓦尼·马格利亚
最后，这项研究还将使科学家们能够识别出比甲氨蝶呤更紧密地与DHFR结合的新的抑制药物。