了解蛋白质和酶的行为是解开生物过程秘密的关键，蛋白质的原子结构一般是用X射线晶体学来研究，然而，氢原子和质子(氢离子)的精确信息通常无法获得。现在，包括大阪大学、大阪医学院、国立量子和放射科学技术研究所、茨城大学和筑波大学在内的一个研究团队，利用中子晶体学揭示了一种非常大的氧化酶蛋白高分辨率结构细节，其研究成果发表在《美国国家科学院院刊》上。
构成蛋白质和酶中大约一半原子的氢原子和质子通常在这些生物分子工作中起着关键作用；然而，由于它们的尺寸很小，很难准确地确定它们的确切位置。研究蛋白质结构最常见的方法是将一束高能X射线对准蛋白质晶体，并分析X射线与结构中原子的电子相互作用产生的衍射图案。不幸的是，X射线与氢原子或质子的相互作用不强，这些原子或质子的电子密度很低，甚至没有电子密度，因此很难“看得见”。
一种解决方案是对晶体施加中子束，而不是X射线，中子与其路径上的原子核相互作用，包括氢原子和质子的原子核，尽管它们很小。这些相互作用产生的衍射图案在中子束穿过晶体后被记录下来，并被解码到包括氢核在内的原子核精确位置。氢原子和质子是酶结构中特别有趣的组成部分，因为它们可以表现出被发现对酶功能至关重要的量子行为。
图示：(A)铜胺氧化酶的超大晶体；(B)铜胺氧化酶的三维结构，包括氢原子；放大的图像中心出现了一个不同寻常的“悬浮”质子。
因此，准确确定它们在蛋白质结构中的位置，以便揭开正在发生的事情是很重要的。使用中子结晶学，研究人员能够确定分子量为70600的细菌铜胺氧化酶结构。对于中子结晶学来说，这是非常大的，远远超过了之前记录的分子量，并且仍然精确地定位了结构中的氢原子和质子。
图示：TOPA醌辅助因子的结构，灰色和浅蓝色网格分别表示氢原子和氘原子的密度。
在辅因子Topa Quone和这类酶中严格保守的氨基酸残基之间观察到了一个不同寻常的‘悬浮’质子。TOPA醌辅助因子共价结合在酶上，对酶的催化作用起着至关重要的作用。在发现Topa醌作为一种蛋白质来源的辅因子30年后，研究人员终于能够建立起它的完整图景。
图示：铜配位组氨酸残基的质子化状态，其中一个组氨酸残基完全去质子化，如红色圆圈所示，形成不同寻常的咪唑阴离子。
研究发现，辅因子实际上存在于两种不同形式之间的平衡状态。如果能够完全理解正在发生的事情，酶活性部位（也就是发生反应的地方）就可以为我们提供大量的信息和灵感。研究用中子晶体学揭示质子量子效应的演示，对许多研究酶及其机制的研究人员来说非常有用。
博科园｜研究/来自：大阪大学
参考期刊《美国国家科学院院刊》
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