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X射线吸收光谱学与晶体学结合的锌金属蛋白酶Acutolysin-A和Acutolysin-C酶活中心结构与功能研究

赵伟  
【摘要】: Acutolysin-A和Acutolysin-C都是来自于皖南尖吻蝮蛇(Agkistrodon acutus)的分子量约为23 kDa的P-I型蛇毒锌金属蛋白酶(SVMPs),从属于metzincin部落的adamalysin家族。Metzincin部落蛋白的酶活中心具有保守的结构形似性,特别是adamalysin和基质金属蛋白酶(MMP)家族被认为具有一致的蛋白水解机理。本文以Acutolysin-A和Acutolysin-C为蛋白原型,尝试了解其蛋白水解活性的结构基础,同时对adamalysin家族以致metzincin部落的酶活中心催化机理进行了较为广泛的讨论。 X射线吸收光谱学(X-ray Absorption Spectroscopy,XAS)在生物学中的应用(BioXAS)在近几年来得到了蓬勃发展。特别是X射线吸收近边结构(X-ray Absorption Near-Edge Structure,XANES)谱定量分析方法的兴起和成功开发,为XAS方法带来了更为强大的应用前景。 我们收集和解析了pH 3.0-pH 10.5系列pH值下的Acutolysin-A晶体结构,对先前pH 5.0和pH 7.5下的衍射数据也进行了重修正。不同pH下的结构都显示,一个四肽的羧基端产物存在于底物结合P_1-P_4位点,而在接近最适酶活的pH 9.0结构中还观察到一个三肽的氨基端产物存在于P_(1')-P_(3')位点。产物与酶的复合物结构暗示了底物与酶的结合态,并且提供了adamalysin家族催化环节机理的直接支持。我们发现,所有pH值下的Acutolysin-A晶体结构都是产物或水分子结合在酶活裂隙的双构象态,小肽产物以52%-62%不等的占有率与酶结合,另一种构象为水分子占有。系列pH值下酶活中心的结构显示,pH值越接近酶活最适pH值时,催化水分子Wat1与保守极化残基Glu143氧原子OE2的距离越近,这验证和进一步精确了先前对pH依赖的蛋白水解活性机理的结构基础上的解释。 基于蛋白质晶体学(PX)与BioXAS相结合的理念,我们利用基于同步辐射的XAS技术,测定了系列pH值下的Acutolysin-C的XAS谱。并且使用这一领域新近发展起来的近边定量化分析MXAN程序对pH 8.0和pH 3.0下的近边XANES谱进行了拟合,得到了这两个pH值下的Acutolysin-C溶液态锌中心局域结构。相对于pH 8.0下结构,活性位点Wat1在pH 3.0下要明显远离Glu143残基,这与Acutolysin-A的研究结果相一致。另外观察到在Acutolysin-C的自由态酶活中心存在一个辅助催化水分子Wat2,这在随后收集的1.54 (?)分辨率的pH 7.5晶体结构中也得到了验证。通过结构信息学比较发现,adamalysin和MMP家族的Met-ture后第二位保守性残基(Met+2位,大多为Pro)是Wat2的结构依托,而Met+2位残基的主链羰基总是朝向Wat2存在的‘辅助催化区’(一概都称为‘Pro-Wat2’构型),这一特性为metzincin部落中辅助催化Tyr残基缺失的家族所共有。我们认为,这种‘Pro-Wat2’构型在metzincin部落内与辅助催化Tyr残基构型具有同等的保守性和催化机理的内在一致性。


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