瞭解蛋白質和酶的行為是解開生物過程秘密的關鍵，蛋白質的原子結構一般是用X射線晶體學來研究，然而，氫原子和質子(氫離子)的精確信息通常無法獲得。現在，包括大阪大學、大阪醫學院、國立量子和放射科學技術研究所、茨城大學和筑波大學在內的一個研究團隊，利用中子晶體學揭示了一種非常大的氧化酶蛋白高分辨率結構細節，其研究成果發表在《美國國家科學院院刊》上。
構成蛋白質和酶中大約一半原子的氫原子和質子通常在這些生物分子工作中起著關鍵作用；然而，由於它們的尺寸很小，很難準確地確定它們的確切位置。研究蛋白質結構最常見的方法是將一束高能X射線對準蛋白質晶體，並分析X射線與結構中原子的電子相互作用產生的衍射圖案。不幸的是，X射線與氫原子或質子的相互作用不強，這些原子或質子的電子密度很低，甚至沒有電子密度，因此很難“看得見”。
圖示：(A)銅胺氧化酶的超大晶體；(B)銅胺氧化酶的三維結構，包括氫原子；放大的圖像中心出現了一個不同尋常的“懸浮”質子。
一種解決方案是對晶體施加中子束，而不是X射線，中子與其路徑上的原子核相互作用，包括氫原子和質子的原子核，儘管它們很小。這些相互作用產生的衍射圖案在中子束穿過晶體後被記錄下來，並被解碼到包括氫核在內的原子核精確位置。氫原子和質子是酶結構中特別有趣的組成部分，因為它們可以表現出被發現對酶功能至關重要的量子行為。因此，準確確定它們在蛋白質結構中的位置，以便揭開正在發生的事情是很重要的。
圖示：TOPA醌輔助因子的結構，灰色和淺藍色網格分別表示氫原子和氘原子的密度。
使用中子結晶學，研究人員能夠確定分子量為70600的細菌銅胺氧化酶結構。對於中子結晶學來說，這是非常大的，遠遠超過了之前記錄的分子量，並且仍然精確地定位了結構中的氫原子和質子。在輔因子Topa Quone和這類酶中嚴格保守的氨基酸殘基之間觀察到了一個不同尋常的‘懸浮’質子。TOPA醌輔助因子共價結合在酶上，對酶的催化作用起著至關重要的作用。
圖示：銅配位組氨酸殘基的質子化狀態，其中一個組氨酸殘基完全去質子化，如紅色圓圈所示，形成不同尋常的咪唑陰離子。
在發現Topa醌作為一種蛋白質來源的輔因子30年後，研究人員終於能夠建立起它的完整圖景。研究發現，輔因子實際上存在於兩種不同形式之間的平衡狀態。如果能夠完全理解正在發生的事情，酶活性部位（也就是發生反應的地方）就可以為我們提供大量的信息和靈感。研究用中子晶體學揭示質子量子效應的演示，對許多研究酶及其機制的研究人員來說非常有用。
博科園｜研究/來自：大阪大學
參考期刊《美國國家科學院院刊》
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