P450酶因含有血红素且能催化各式各样不同反应被称为“红色万能酶”，通过酶催化可取代日益严重的各种药物、化学品生产时造成的环境污染问题。但是自P450酶被发现数十年来，其晶体结构一直没能被解析出来，“万能”酶完整的催化机理一直困扰着科学界。近日，湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室的陈纯琪教授团队，和马立新教授、郭瑞庭教授成功破解难题，在P450酶完整催化机理的研究方面取得重要突破，该研究成果5月29日发表在《自然·通讯》杂志。
“自然界中存在非常多不同种类的P450酶，它们参与细胞的生理调控、药物代谢以及许多重要药物的合成。”陈纯琪介绍，比如我们人类的染色体上就带有超过50个P450酶的基因，它们负责胆固醇、固醇类激素和维生素D等重要化合物的合成；许多具有药物活性的植物或微生物次级代谢物 (如青蒿素、紫杉醇)，也是由P450酶负责催化合成的；还有一些药物的化学结构非常复杂，单纯以人工合成的方法生产大量高纯度的药物极为困难，只有酶才能够精准调控复杂的合成途径。
科学家们发现，P450酶能够识别多种底物，由此利用基因工程改造P450酶来量身订制化学反应，成为一个热门研究方向。2018年诺贝尔化学奖得主阿诺德教授就是利用改造P450酶来进行各种困难或者特殊的化学反应。
图片说明：自给自足P450酶的完整结构，蓝色为血红素结合区，青绿色为还原酶结构域，白色为铁氧还原蛋白结构域。
一个完整的P450酶系统由三个部件组成：带有血红素的底物结合；负责产生电子的还原酶；连接底物结合区和还原酶的通道。“这就像一个电器需要插上电才能工作，带有血红素的底物结合区就像电器本身，供电的插座就像还原酶，而电线就是连接两端的电子通道。”陈纯琪介绍，在建立一个P450酶反应系统时需要把所有组件都找齐了，组装在一起后才能够进行催化反应。有一些三种组件都串联在一起的P450酶，称作“自给自足P450酶”，这样的系统不需要另外寻找相匹配的供电器与电线，因此在应用的时候有巨大优势，也是方便科学家们研究的“明星P450酶”
P450酶的血红素结合区识别底物机制的研究已经相当成熟，针对底物结合区的改造工程也有非常多的研究报道，但是对于电子如何从还原酶传递到活性中心却仍有许多未知之处。要想知道电子传递路径，最直接的方法就是解析P450酶的晶体结构。由于全长P450酶的蛋白质结晶困难，因此从1980年有了第一个P450酶的底物结合区晶体结构后，一直没有任何突破。
陈纯琪教授带领的结构生物学研究团队利用X光晶体学技术，成功解析了“自给自足P450酶”的高分辨率全长结构。科研人员通过蛋白质结构分析发现P450酶内合理的电子传递通路。结构显示，一条连续性的多肽折叠成三个结构域，由两段连接肽相连，从氮端到碳端依序为: 血红素结合区，还原酶结构域，和铁氧还蛋白结构域，三个结构域的排列与电子传递的方向一致，血红素结合区的底物结合区朝向外，有利于底物进入结合，这些显示了结构的排列合理。其中，还原酶结构域中包含有电子传递时需要的黄素单核苷酸，铁氧还蛋白结构域中同时也具有电子传递时需要的铁-硫原子，其中两个是铁，另两个是硫，称为[二铁二硫]，电子必须从黄素单核苷酸传到[二铁二硫]，再传至血红素，反应才能进行。黄素单核苷酸和[二铁二硫]的直线距离为7.9 埃(1纳米等于10埃)，有利于电子直接传递过去。但另一方面，[二铁二硫]和血红素的直线距离达 25.3 埃，超过目前认定的有效直接电子能传递的距离。所以[二铁二硫]与血红素之间的氨基酸可能在电子传递的过程中扮演重要角色。因此科研人员也针对这些可能牵涉到电子传递的氨基酸进行突变验证，结果也证实了电子从黄素单核苷酸通过[二铁二硫]到血红素的合理通路。
这是迄今为止国内外首次解析“自给自足P450酶”的全长三维结构，是一个非常重要的里程碑，对于其他各类P450酶的改造与应用具有重要指导意义。
陈纯琪表示，其研究团队目前正利用所获得的结构学信息，加速对P450酶进行更加深入的理性设计改造，以期培育出能催化更多重要反应的新酶，早日实现P450酶的绿色生物工艺制造，并应用于生物科技、制药工程与化工产业。
