“nature chemistry∣Enhanced active-site electric field accelerates enzyme catalysis”
文献信息：
Chu Zheng, Zhe Ji, Irimpan I. Mathews, and Steven G. Boxer
发表时间：10 August 2023
https://doi.org/10.1038/s41557-023-01287-x
nature chemistry 影响因子：21.8
背景介绍
基于物理原理对酶进行理性设计和改进仍然具有挑战性。这里，作者通过将马肝醇脱氢酶（LADH）的丝氨酸氢键供体替换为苏氨酸，并将催化Zn²⁺替换为Co²⁺，展示了静电催化原理可以显著提高天然酶的活性位点电场。
基于电场增强，作者做出了定量预测——比野生型酶快50倍，这与实验测量结果非常接近。氢键和金属配位这两种不同的化学力的影响由一个统一的物理量——电场来描述，这是定量的，并在这里显示出可加性和预测性。这些结果为生物和非生物催化剂的设计提供了一种新的范式。
图文解读
图1 | LADH的静电催化作用
a，LADH使用NADH作为辅因子的醛氢化机制。
b，醛在亲核攻击下形成过渡态。酶活性位点对羰基（C=O）偶极施加电场（Fenz），从反应物状态（μRS）到更多电荷分离的过渡态（μTS），电场强度增加。
c，活性位点电场Fenz通过对μTS优于μRS的偏好性稳定来降低活化能垒∆∆G‡。注意，这些电场是由蛋白质结构本身组织的电荷和偶极施加的，不要与外部施加的电场混淆。WT，野生型。
图2 | LADH活性位点的金属交换
a，结合CXF的LADH活性位点示意图。为简化起见，省略了NADH。
b，在4°C下孵育apo-LADH与金属离子过夜后，LADH在乙醇脱氢中的活性。数据表示为平均值±标准差，基于n=3的独立重复实验。参见补充方法。
c，1.43Å分辨率的野生型LADH晶体结构（PDB 7RM6），1.65Å分辨率的LADHCo晶体结构（PDB 8EIW）和1.33Å分辨率的LADHCd晶体结构（PDB 7UTW）。氮原子用蓝色表示，氧原子用红色表示，硫原子用黄色表示，蛋白质的碳原子用绿色表示，抑制剂（CXF）的碳原子用青色表示，锌用灰色表示，钴用深红色表示，镉用深绿色表示。
d，结合于野生型LADH、LADHCo和LADHCd活性位点的CXF中C=O的红外光谱。顶部电场轴根据底部频率轴映射：ν=0.47̄F+1712.2（补充图2），其中ν是C=O振动的波数（cm−1），F是投影在C=O上的电场强度（MV cm−1）。
e，野生型LADH、LADHCo和LADHCd对丙酮氢化的米氏动力学。[E]0由电感耦合等离子体原子发射光谱法定量的活性位点金属离子数确定。数据表示为平均值±标准差，基于n=3的独立重复实验。更多细节参见补充方法。
图3 | LADH活性位点的氢键扰动
a，1.43Å分辨率的野生型LADH晶体结构（PDB 7RM6），1.40Å分辨率的LADHS48T晶体结构（PDB 7UQ9）和2.20Å分辨率的LADHS48A晶体结构（PDB 7U9N），每个都结合了抑制剂CXF。示意结构见图2a。
b，结合于野生型LADH、LADHS48T和LADHS48A活性位点的CXF中C=O的红外光谱。详见图2d的说明。
c，野生型LADH、LADHS48T和LADHS48A对丙酮氢化的米氏动力学。详见图2e的说明。
图4 | 统一的酶催化和设计的静电基础
a，结合于LADH变体活性位点的CXF中C=O的红外光谱。详见图2d的说明。
b，丙酮氢化的自由能垒（∆G‡）与CXF C=O所经历的F的关系图。∆G‡根据过渡态理论，通过动力学研究确定的kcat计算得出。线性回归得到∆G‡ = 2.38Fenz + 38.0（R2 = 0.97），其中∆G‡ 以kcal mol−1为单位，F以kcal mol−1 D−1为单位，这个单位体现了斜率的物理意义，即反应差偶极在德拜中的表示（补充文本3）。
c，与b相同的图，显示双突变体LADHCo,S48T的预测值，作为单突变体LADHS48T（1）和LADHCo（2）的和，相对于野生型的Fenz和∆G‡ 。预测值（洋红色圆圈）与实验数据（洋红色方块）非常接近。
d，与b相同的图，显示双突变体LADHCo,S48A的预测值，作为单突变体LADHCo（2）和LADHS48A（3）的和，相对于野生型的Fenz和∆G‡ 。预测值（蓝色圆圈）与实验数据（蓝色方块）非常接近。
e，a的扩展，包含双突变体LADHCo,S48T和LADHCo,S48A的光谱。
f，通过添加双突变体LADHCo,S48T和LADHCo,S48A的数据扩展b。更新后的线性回归得到∆G‡ = 2.54Fenz + 39.3（R2 = 0.97）。
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