科学家揭示了具有治疗潜力的抗氧化酶的内在机制

线粒体被称为人体细胞内的能量源，它产生细胞生存所需的能量。然而，作为这个过程的副产品，线粒体也产生活性氧（ROS）。在足够高的浓度下，ROS会引起氧化损伤，甚至可以杀死细胞。过多的活性氧与各种健康问题有关，包括癌症、神经系统疾病和心脏病。

一种名为锰超氧化物歧化酶（MnSOD）的酶，利用一种涉及电子和质子转移的机制来降低线粒体中的活性氧水平，从而防止氧化损伤和维持细胞健康。超过四分之一的已知酶还依赖于电子和质子转移来促进对人类健康至关重要的细胞活动。然而，由于很难观察到质子如何运动，它们的大部分机制尚不清楚。

来自内布拉斯加州大学医学中心（UNMC）和能源部（DOE）橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员现在已经观察到MnSOD的完整原子结构，包括它的质子排列，中子散射。发表在《自然通讯》（Nature Communications）上的这项发现揭示了质子是如何被用来帮助MnSOD转移电子以降低ROS水平的。这项工作可以帮助专家开发基于MnSOD的治疗方法，并设计出模拟其抗氧化行为的治疗药物。中子研究也为研究利用电子和质子转移的其他酶开辟了一条途径。

“利用中子，我们能够看到完全出乎意料的MnSOD特征，我们相信这将彻底改变人们对这种酶和其他类似酶的看法，”UNMC教授兼科学家Gloria Borgstahl说这项新研究的通讯作者。

MnSOD通过靶向超氧化物来工作，超氧化物是一种从线粒体能量产生过程中泄漏出来的反应性分子，是其他有害ROS的化学前体。这种酶的活性部位通过利用锰离子将电子从反应分子中来回移动，将超氧化物转化为毒性较小的产物。锰离子能够从超氧分子中窃取一个电子，将其转化为氧。这种偷来的电子可以被给予另一种超氧物来制造过氧化氢。

为了使这种生化反应发挥作用，酶的氨基酸和活性部位的其他分子之间需要发生一系列质子运动。质子起着使电子运动的工具的作用。到目前为止，这种酶的电子和质子转移序列（也称为催化机制）还没有在原子水平上定义，因为在追踪质子如何在分子间穿梭方面存在挑战。对这一催化过程的基本了解可以为利用这种酶的抗氧化能力的治疗方法提供信息。

质子转移不容易看到，因为它们以氢原子的形式出现，而x射线和其他观察原子的技术很难检测到氢原子。另一方面，中子对氢等较轻的元素很敏感，因此可以精确定位质子的运动。中子也非常适合这项研究，因为它们不与电子相互作用，不像其他原子可视化技术。因此，它们可以用来研究电子转移酶的内部工作而不干扰它们的电子状态。

“因为中子是不与电荷相互作用的粒子，它们不会干扰金属的电子性质，这使它们成为分析含金属酶（如MnSOD）的理想探针，参与这项研究的ORNL中子散射科学家Leighton Coates说此外，中子不会对材料造成辐射损伤，因此我们可以在同一样品在电子态之间移动时收集多个快照。”

使用MaNDi，ORNL散裂中子源（SNS）的大分子中子衍射仪，研究小组能够绘制出MnSOD的整个原子结构，并跟踪酶的质子在获得或失去一个电子时的变化。通过分析中子数据，科学家们追踪了质子在活动区域移动的路径。利用这些信息，研究小组建立了一个提出的催化机制的模型，详细说明了电子和质子转移如何使MnSOD调节超氧化物歧化酶的水平。

他们的分析表明，催化作用包括酶的氨基酸之间的两个内部质子转移和两个来自溶剂的外部质子转移分子。虽然这项研究的结果证实了过去对这种酶的生物化学性质的一些预测，但有几个方面是出乎意料的，并挑战了以前的看法。

例如，研究小组发现了谷氨酰胺氨基酸和锰结合溶剂分子之间发生的循环质子转移。这种相互作用是催化过程的核心部分，因为它允许酶在两个电子态之间循环。研究人员还发现活性部位内的质子运动是不寻常的，因为一些氨基酸在正常情况下没有质子。这项研究证明了一种金属对活性部位化学性质的巨大影响，而这种影响通常是无法解释的。

“我们的研究结果表明，这种机制比过去的研究所推测的更为复杂和非典型，”UNMC的研究员和研究的合著者Jahaun Azadmanesh说。

作为该项目的下一步，研究人员研究人员正计划检测这种酶与超氧物底物结合时的结构。他们还致力于研究MnSOD的突变成分，以获得有关每个氨基酸如何影响催化作用的更多细节。另一个研究目标是将他们的中子分析扩展到依赖电子和质子转移来完成细胞任务的其他酶。

“超过四分之一的已知酶活性涉及电子和质子转移，”阿扎德曼什说MnSOD只是众多其他酶中的一种酶，利用中子，我们可以对它们的催化机制进行前所未有的详细研究。”

Journal Reference:

Jahaun Azadmanesh, William E. Lutz, Leighton Coates, Kevin L. Weiss, Gloria E. O. Borgstahl. Direct detection of coupled proton and electron transfers in human manganese superoxide dismutase. Nature Communications, 2021; 12 (1) DOI: 10.1038/s41467-021-22290-1