引言
細胞色素氧化酶是一種氧化還原偶聯的質子泵，具有重要的生物學功能。作者通過研究質子化和水動力學，以及通道入口的構象動力學，結合實驗和計算方法，解析了質子通道活化的機理。
先睹為快
單位與作者
柏林大學物理系Ulrike Alexiev教授，
柏林大學化學與生物化學研究所Ernst Walter Knapp教授
蛋白靶點
細胞色素氧化酶（CcO）
計算方法
同源模建，分子動力學模擬，量化計算
計算軟件
VMD，NAMD，Jaguar v.7.7
計算流程
使用VMD將CcO放置在模擬脂質雙層中，並嵌入TIP3P21水盒子中，模建出CcO蛋白膜複合物；使用量子化學程序Jaguar v.7.7，用B3LYP方法和6-31g**基組計算熒光素的電荷；使用NAMD對CcO的還原狀態（R）和氧化狀態（O）進行了47ns的MD模擬，對最後30ns進行分析。
細胞色素氧化酶（cytochromec oxidase，CcO）是一種氧化還原偶聯的質子泵，催化分子氧還原為水，從而建立起促進ATP合成的跨膜質子梯度。CcO（圖1）使用兩個質子吸收通道，D和K通道。與D通道相比，K通道不構成質子傳導氫鍵的連續通道，只在還原相中起作用，使其質子輸運機制變得神秘。理論研究表明，K通道內的選擇性水化變化被激活，對質子的矢量傳輸至關重要。作者通過研究質子化和水動力學，以及通道入口的構象動力學，結合實驗和計算方法，剖析了質子通道活化的機理。
圖1. CcO的結構和催化循環示意圖
圖片來源Chem. Sci.
通過時間分辨熒光去極化實驗和分子動力學（MD）模擬證明，雙核中心的靜電變化導致長程構象變化向K通道入口傳播。實驗和模擬的局部探針pKa位移分析表明（圖2），這些氧化還原誘導的長程結構重排影響了K通道蛋白表面的氫鍵網絡。同時，偶極弛豫研究表明，K通道入口處的選擇性水合作用與通道開放有關。這些單個氧化還原引發的因果關係變化的複雜相互作用，定義了K通道瞬態質子傳導的機制。理論研究發現，Y280在催化轉化過程中會根據質子化狀態發生構象變化。這種構象變化可能沿著螺旋6以側鏈構象和複雜的氫鍵重排的形式向蛋白質表面移動，以增加通道入口處的構象動力學。
圖2. K通道入口處氧化還原依賴的質子化變化
圖片來源Chem. Sci.
在研究中確實觀察到了構象動力學的變化（圖3），並與K通道下部局部水化動力學的變化相關。可以合理地假設，這種水合作用的增加與理論研究中觀察到的K354側鏈的K通道的拓寬和構象轉換有關。因此，在D和K通道之間建立從通道上部到雙核中心的連接和切換活動而提議的開關，似乎與K通道的下部緊密耦合。觀察到的通道入口周圍的水可及性增加（圖4）為活動通道上部的建議水化增加提供了缺失的環節。還原酶通道N側表面較低的剛性對質子吸收是有利的，以前的相關光譜實驗支持這一點，表明單電子注入後，質子快速瞬時吸收到K通道。
圖3. K通道入口氧化還原相關的結構變化
圖片來源Chem. Sci.
圖4. K通道入口附近氧化還原依賴的水動力學
圖片來源Chem. Sci.
綜上所述，作者認為CcO的氧化還原中心和K通道表面構成了一個長程相互作用網絡，通過雙核中心在氧化狀態下的電化作用觸發了穩定的質子“按需”供應。長遠來看，這些結果可以促進大家對膜蛋白將離子轉移到嵌入的輔因子和跨膜機制的理解。
參考文獻
Alexander Wolf.et al.The redox-coupled proton-channel opening in cytochrome c oxidase. Chem. Sci., 2020. DOI: 10.1039/c9sc06463j
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