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Angew. Chem. :多肽超分子动态仿酶2023-10-28
近年来,通过模拟天然酶蛋白的结构,多肽分子能够组装形成具有类似天然酶催化活性的多肽超分子仿酶,在催化、检测、医药等领域具有广泛应用。然而,如何实现对多肽仿酶催化活性的动态调节,并进一步提升多肽仿酶的催化活性和选择性,目前仍然充满挑战。

酶蛋白催化活性的动态调控是生物体中的常见调节机制,在维持生命过程中发挥着重要作用。其中,磷酸化/去磷酸化是一种常见的酶蛋白活性“开关”,能够通过可逆共价修饰酶蛋白的结构来调节其催化活性。受此启发,天津大学齐崴教授和王跃飞副研究员利用多肽和Cu2+的配位组装,获得了具有儿茶酚酶催化活性的多肽超分子仿酶,进一步通过引入酶催化反应,对多肽仿酶进行磷酸化/去磷酸化修饰,实现了对其催化活性的动态调节。

作者设计的多肽分子包含疏水烷基、不同数量的丙氨酸以及由Glu-Glu-Tyr构成的功能亲水区域。该分子能够通过谷氨酸与Cu2+配位组装形成多肽超分子仿酶,其具有纳米纤维的微观结构以及儿茶酚酶的催化活性。多肽仿酶的内部为疏水核心,表面为亲水区域。疏水核心主要包含疏水烷基链和丙氨酸残基;表面亲水区域包含大量由谷氨酸和Cu2+构成的催化活性中心,能够特异性识别和结合儿茶酚底物。此外,多肽仿酶表面的酪氨酸残基,使得其能够在酪氨酸激酶和碱性磷酸酶的作用下,实现可逆的磷酸化/去磷酸化。

 

 

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图1 多肽分子的设计和多肽仿酶的结构表征

通过可逆地共价修饰多肽侧链上的酪氨酸基团,多肽超分子仿酶的结构能够在纳米纤维和纳米颗粒之间可逆地切换,从而赋予多肽组装体动态催化活性。多肽磷酸化后,多肽仿酶的结构变为纳米颗粒,催化“开关”关闭,催化活性降低,但是去磷酸化后,多肽仿酶的结构转变为纳米纤维,催化活性恢复。多肽仿酶催化活性的动态转变,其本质是由多肽组装体结构的动态变化所导致的,且其动态催化行为能够通过改变多肽序列进行理性设计。

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图2 酶驱动的多肽动态自组装

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图3 多肽仿酶的动态催化与可逆调控

最后,作者利用粗粒化分子动力学模拟了酪氨酸激酶/磷酸酶控制下多肽动态自组装的过程。结果表明,多肽仿酶具有类天然酶的活性口袋和表面空腔结构,其中谷氨酸残基和铜离子形成的拉链状四配位结构构成了仿酶的催化活性中心。相对于天然酶,多肽仿酶具有更高的催化活性以及立体选择性,针对不同儿茶酚底物具有不同的结合能,因此能够用于重要神经递质的定量检测。该工作为开发高性能超分子仿酶催化剂及其应用提供了新的思路。

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图4 多肽仿酶的结构模型和反应机理分析

文信息

Enzyme-Driven, Switchable Catalysis Based on Dynamic Self-Assembly of Peptides

Qing Li,# Jiwei Min,# Jiaxing Zhang, Meital Reches, Yuhe Shen, Rongxin Su, Yuefei Wang,* Wei Qi

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202309830