Quantum biology: an update and perspective

量子生物學(xué)：最新進(jìn)展與展望

https://doi.org/10.3390/quantum3010006

《Quantum Biology: An Update and Perspective》系統(tǒng)梳理了量子效應(yīng)在生命系統(tǒng)中可能發(fā)揮功能性作用的最新實(shí)證進(jìn)展與理論挑戰(zhàn)，核心要點(diǎn)如下：

1. 明確定義“非平凡量子效應(yīng)”：區(qū)別于化學(xué)鍵等“平凡”量子基礎(chǔ)，本文聚焦生物系統(tǒng)是否進(jìn)化出利用相干性、隧穿、自旋動(dòng)力學(xué)等脆弱量子現(xiàn)象以獲得功能優(yōu)勢(shì)的能力——即量子效應(yīng)須在生理?xiàng)l件下（溫暖、潮濕、嘈雜）持久、可控，并與生物功能因果關(guān)聯(lián)。
2. 六大關(guān)鍵領(lǐng)域進(jìn)展

• 酶催化中的氫隧穿：大量KIE（動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)）及溫度/壓力依賴性實(shí)驗(yàn)證實(shí)，H?/H?/H?轉(zhuǎn)移普遍依賴量子隧穿；蛋白質(zhì)的“促進(jìn)振動(dòng)”（供體-受體距離漲落）調(diào)控隧穿效率，光激活酶（如POR）成為研究隧穿動(dòng)力學(xué)的理想模型。
• 光合作用中的量子相干：超快光譜顯示，光合天線中激子能量傳遞在室溫下可維持?jǐn)?shù)百飛秒相干性，可能提升能量輸運(yùn)效率與魯棒性；人工仿生系統(tǒng)正嘗試復(fù)現(xiàn)此機(jī)制。
• 磁感應(yīng)的自由基對(duì)機(jī)制：隱花色素中FAD??/Trp??自由基對(duì)的自旋相干受地磁場(chǎng)調(diào)制，是鳥類“化學(xué)羅盤”的主流解釋；超精細(xì)相互作用各向異性賦予方向敏感性，但體內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路仍待闡明。
• DNA中的質(zhì)子隧穿：理論預(yù)測(cè)質(zhì)子隧穿可能導(dǎo)致堿基對(duì)互變異構(gòu)，引發(fā)復(fù)制錯(cuò)誤；但生理意義尚存爭(zhēng)議，需區(qū)分“偶然隧穿事件”與“進(jìn)化利用”。
• 熒光蛋白作為新模型：其光物理過程（如光致異構(gòu)、質(zhì)子轉(zhuǎn)移）涉及量子效應(yīng)，且結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)，有望成為可控研究量子生物學(xué)的“分子試驗(yàn)臺(tái)”。
• 離子通道中的量子效應(yīng)（高度推測(cè)）：有假說認(rèn)為離子選擇性或門控可能涉及相干過程，但目前缺乏直接證據(jù)，爭(zhēng)議較大。

• 核心挑戰(zhàn)與未來方向

• 退相干與功能維持：如何在生理環(huán)境中保護(hù)量子相干/隧穿？可能機(jī)制包括“環(huán)境輔助量子輸運(yùn)”（ENAQT）、結(jié)構(gòu)剛性、快速反應(yīng)等。
• 因果性驗(yàn)證：亟需“量子干擾實(shí)驗(yàn)”——特異性破壞某量子過程（如用射頻場(chǎng)干擾自旋相干），觀察能否阻斷生物功能。
• 跨尺度整合：發(fā)展多尺度模型，連接飛秒量子事件與秒級(jí)生理行為。
• 新技術(shù)驅(qū)動(dòng)：超快光譜、單分子量子傳感、低溫電子顯微鏡、量子模擬器等將推動(dòng)原位、實(shí)時(shí)探測(cè)。

核心結(jié)論：量子生物學(xué)已從“是否可能”進(jìn)入“如何實(shí)現(xiàn)”的實(shí)證階段。雖非萬能解釋，但在特定、進(jìn)化優(yōu)化的分子過程中（如酶催化、磁感應(yīng)、光捕獲），非平凡量子效應(yīng)很可能構(gòu)成生命高效、精準(zhǔn)運(yùn)作的物理基礎(chǔ)之一——這標(biāo)志著生物學(xué)正向更深層的物理原理拓展。

第一章概述量子生物學(xué)的歷史與基礎(chǔ)：追溯薛定諤《生命是什么？》等早期觀點(diǎn)，定義量子生物學(xué)為研究活系統(tǒng)中非平凡量子效應(yīng)（如相干、隧道、糾纏、 spins），這些效應(yīng)在溫暖、潮濕環(huán)境中克服退相干，實(shí)現(xiàn)生物優(yōu)勢(shì)。強(qiáng)調(diào)從分子穩(wěn)定性到能量間隙的量子貢獻(xiàn)，推動(dòng)理解生命規(guī)則。

第二章聚焦酶催化的氫轉(zhuǎn)移：探討量子隧道在生理溫度下的關(guān)鍵作用，蛋白動(dòng)態(tài)促進(jìn)隧道貢獻(xiàn)，提升反應(yīng)速率；擴(kuò)展至光合作用中的質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)，量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)解釋高效率（量子產(chǎn)率達(dá)2），超越經(jīng)典極限。

摘要：

理解生命規(guī)律是最重要的科學(xué)探索之一，它已徹底革新了生物學(xué)與生物技術(shù)。觀測(cè)技術(shù)的顯著進(jìn)步使我們能夠探究一系列復(fù)雜而動(dòng)態(tài)的生物過程，在這些過程中，生命系統(tǒng)可利用量子行為來增強(qiáng)并調(diào)控其生物功能。近期證據(jù)表明，這些非平凡的量子力學(xué)效應(yīng)可能在維持生物分子系統(tǒng)的非平衡態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。量子生物學(xué)即是對(duì)生命系統(tǒng)中此類量子特性的研究。在本綜述中，我們總結(jié)了量子生物學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，包括酶催化反應(yīng)、光合作用、自旋依賴反應(yīng)、DNA、熒光蛋白及離子通道等領(lǐng)域。這些成果中的許多有望成為理解生命規(guī)律的基礎(chǔ)性構(gòu)件。

關(guān)鍵詞：量子生物學(xué)；生物學(xué)中的非平凡量子效應(yīng)；酶催化反應(yīng)中的量子隧穿；光合作用；人工光捕獲系統(tǒng)；離子通道；熒光蛋白；DNA中的質(zhì)子隧穿。

1. 引言

生物學(xué)傳統(tǒng)上被認(rèn)為屬于經(jīng)典領(lǐng)域，而物理學(xué)與化學(xué)則深深植根于量子力學(xué)。然而，生命系統(tǒng)本質(zhì)上是量子力學(xué)的，因?yàn)槠浞肿?、原子及亞原子層面的化學(xué)機(jī)制——如同萬物一樣——均由量子物理定律所支配。那么，原子尺度在生物學(xué)中重要嗎？生命需要量子力學(xué)嗎？換言之，量子力學(xué)能否在生物學(xué)中發(fā)揮具有生理學(xué)意義的根本性作用？最重要的是，是否存在任何生物分子或生物分子系統(tǒng)，能夠利用非平凡的量子力學(xué)效應(yīng)來獲得經(jīng)典物理學(xué)框架內(nèi)無法理解的生物學(xué)優(yōu)勢(shì)？

量子力學(xué)的早期先驅(qū)們中的許多人認(rèn)為這一問題的答案是肯定的[1]，正如埃爾溫·薛定諤在其極具影響力的著作《生命是什么？》[2]中所雄辯地論述的那樣。

然而，直到最近，大多數(shù)研究生物學(xué)中量子效應(yīng)的方法（如薛定諤的方法）仍完全是理論性的。這主要是因?yàn)楫?dāng)時(shí)尚未發(fā)展出能夠探測(cè)生物系統(tǒng)中細(xì)微且脆弱的量子效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法——這些效應(yīng)被隨機(jī)的分子相互作用所主導(dǎo)。然而，在現(xiàn)階段，明確界定我們?cè)诹孔由飳W(xué)中所說的“量子效應(yīng)”是有用的。正如前文所述，在粒子、原子和分子最基本的層面上，生物學(xué)、生命以及世界上的萬事萬物都受量子定律支配。例如，電子軌道結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵——有時(shí)被稱為“平凡量子力學(xué)”的例子——對(duì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)至關(guān)重要，就像它們對(duì)化學(xué)或物理學(xué)一樣；但結(jié)構(gòu)生物學(xué)通常不被視為量子生物學(xué)的一個(gè)分支。所謂量子生物學(xué)，指的是涉及那些通常局限于原子與分子量子領(lǐng)域的現(xiàn)象，如相干性、隧穿、糾纏或自旋——因?yàn)樗鼈兊挠绊懺诤暧^層面通常因退相干[2]而被抵消，故在溫暖、潮濕且無序的生命細(xì)胞環(huán)境中被認(rèn)為極不可能發(fā)生。更重要的是，要成為“非平凡”效應(yīng)，此類效應(yīng)必須能解釋或驅(qū)動(dòng)一個(gè)可能經(jīng)由進(jìn)化優(yōu)化的生物學(xué)過程。也就是說，一個(gè)量子效應(yīng)若要被認(rèn)為是“非平凡”的，則生物學(xué)必須已進(jìn)化到能夠利用它[3]。相比之下，一個(gè)“平凡”的量子效應(yīng)可能可以被檢測(cè)到，但僅源于物質(zhì)由原子、分子、電子等構(gòu)成——所有這些都由量子力學(xué)描述。

鑒于量子生物學(xué)在最初幾十年面臨的這些局限，重大發(fā)現(xiàn)不得不等待一系列觀測(cè)技術(shù)、工具與方法的發(fā)展，這些方法使得以空前精度測(cè)量復(fù)雜的生物分子動(dòng)力學(xué)成為可能。盡管其中一些方法曾遭遇強(qiáng)烈批評(píng)[4-7]，但越來越多的證據(jù)表明，非平凡的量子力學(xué)效應(yīng)在生物學(xué)中扮演著根本性角色。

關(guān)于量子生物學(xué)的早期綜述可參見其他文獻(xiàn)[8-13]。本文將總結(jié)近期對(duì)量子生物學(xué)的洞見，聚焦于六個(gè)假定的量子生物學(xué)現(xiàn)象：1) 酶催化氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)中的量子隧穿及蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)的重要性；2) 光合作用中的量子效應(yīng)；3) 磁場(chǎng)對(duì)生物中自旋依賴反應(yīng)的影響：候選者與限制條件；4) DNA中的質(zhì)子隧穿；5) 熒光蛋白作為量子生物學(xué)的新穎模型系統(tǒng)；6) 神經(jīng)元離子通道中的量子相干性。

1. 酶催化氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)中的量子隧穿與蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)的重要性

2.1 引言

酶是蛋白質(zhì)，常被描述為活細(xì)胞內(nèi)的“分子工蜂”。它們負(fù)責(zé)所有生物合成與分解代謝過程，并參與所有動(dòng)態(tài)過程（如DNA復(fù)制）。酶是催化劑，其加速化學(xué)反應(yīng)的能力遠(yuǎn)超無機(jī)催化劑，可達(dá)102?倍以上。在酶催化的反應(yīng)中，最重要的一類是氫轉(zhuǎn)移（H-轉(zhuǎn)移）反應(yīng)，包括質(zhì)子、氫原子和氫負(fù)離子的轉(zhuǎn)移。由于質(zhì)子質(zhì)量小且固有位置不確定性大，這些反應(yīng)中核量子隧穿的重要性已爭(zhēng)論數(shù)十年[14-30]；但已確鑿無疑的是：無論是否由酶催化，H-轉(zhuǎn)移反應(yīng)均涉及一定程度的H-隧穿。本節(jié)將聚焦于隧穿對(duì)酶催化過程中H-轉(zhuǎn)移的貢獻(xiàn)，但也應(yīng)提及量子隧穿在生物H-轉(zhuǎn)移中的重要性——例如，在跨細(xì)胞膜及線粒體膜將光能轉(zhuǎn)化為質(zhì)子勢(shì)能的過程中[31, 32]。

例如，一種完整的量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法[31]曾被用于解釋跨膜電壓下高效質(zhì)子轉(zhuǎn)位現(xiàn)象[32]，以及觀察到的量子產(chǎn)率為2（即每個(gè)電子轉(zhuǎn)位兩個(gè)質(zhì)子）——而經(jīng)典描述將量子產(chǎn)率限制為1[33]。

H-轉(zhuǎn)移反應(yīng)中隧穿的程度對(duì)隧穿發(fā)生的勢(shì)壘高度極為敏感，因此取決于具體的反應(yīng)。目前尚無直接實(shí)驗(yàn)方法可測(cè)量某一反應(yīng)中量子隧穿的程度，但初級(jí)動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)（KIE）的大小很可能是一個(gè)合理的初步近似值[34-36]。KIE是指輕同位素轉(zhuǎn)移速率常數(shù)與重同位素轉(zhuǎn)移速率常數(shù)之比（例如，對(duì)于氫與氘，），由于氫同位素間質(zhì)量差異顯著，它們的隧穿概率可能截然不同。

化學(xué)反應(yīng)通常在廣義過渡態(tài)理論（TST；公式1）框架內(nèi)描述，其中在給定溫度T下的反應(yīng)速率呈指數(shù)依賴于勢(shì)壘高度（相對(duì)于基態(tài)的過渡態(tài)自由能），并線性依賴于指前因子項(xiàng)A——后者包含了再交叉及透射系數(shù)等術(shù)語(yǔ)[20, 37, 38]。

其中，R 為玻爾茲曼常數(shù)。酶催化主要由相對(duì)于非催化反應(yīng)勢(shì)壘高度 ΔG?_TST 的降低所驅(qū)動(dòng)，而這種降低通常被認(rèn)為主要源于靜電效應(yīng)[39, 40]。在半經(jīng)典過渡態(tài)理論（TST）中，具有同位素依賴性，部分原因在于不同同位素的零點(diǎn)能差異。對(duì)于涉及隧穿的反應(yīng)，指前因子 A 會(huì)乘以一個(gè)隧穿修正因子 κ(T)。該因子描述了因量子力學(xué)隧穿導(dǎo)致的速率增強(qiáng)，其值通常大于1；在極低溫度下，熱活化可忽略不計(jì)時(shí)，反應(yīng)速率由 A × κ(T) 決定。由于 κ(T) 和 均對(duì)同位素敏感，尚不清楚實(shí)驗(yàn)測(cè)得的動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)（KIE）能否直接反映隧穿程度。對(duì)于純半經(jīng)典反應(yīng)且無隧穿時(shí)，KIE 僅源于零點(diǎn)能差異，在室溫下其理論上限約為7[41]。對(duì)于某些酶（如 SLO-1 (81)[42]、AADH (55)[43] 和 MADH (17)[44]），其 KIE 遠(yuǎn)超此限，表明 H-隧穿顯然是主導(dǎo)反應(yīng)途徑。但那些 KIE 低于此限的大多數(shù) H-轉(zhuǎn)移酶又該如何解釋？

已開發(fā)出一系列計(jì)算方法來模擬涉及核量子隧穿的反應(yīng)，例如：帶有高維隧穿修正的系綜平均變分過渡態(tài)理論（EA-VTST/MT）[16, 45]、量子經(jīng)典路徑（QCP）方法[46, 47]以及包含量子躍遷的分子動(dòng)力學(xué)（MDQT）方法[17]。EA-VTST/MT 是一種非常流行的方法，已被應(yīng)用于許多酶促 H-轉(zhuǎn)移反應(yīng)，其 KIE 值范圍從約2[48–52]到約80[51]。在同時(shí)計(jì)算了隧穿引起的速率增強(qiáng)與量化振動(dòng)（即零點(diǎn)能）的實(shí)例中，這兩個(gè)參數(shù)間存在強(qiáng)相關(guān)性[36]。這并不意外，因?yàn)檫@些效應(yīng)均源于轉(zhuǎn)移粒子的量子本質(zhì)，因此量子力學(xué)貢獻(xiàn)的增加將同時(shí)提高隧穿和零點(diǎn)能貢獻(xiàn)。

鑒于 KIE 可反映隧穿程度，將酶促 H-隧穿反應(yīng)的 KIE 與同一非催化反應(yīng)的 KIE 相比較，應(yīng)能提供關(guān)于隧穿對(duì)催化的貢獻(xiàn)信息。然而，通常很難找到合適的參考反應(yīng)，且僅有少數(shù)實(shí)例同時(shí)具備兩種反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[53–55]。在這些實(shí)例中，催化與非催化 H-轉(zhuǎn)移的 KIE 相似，表明隧穿程度相近。這也是多數(shù)計(jì)算比較得出的結(jié)論——在水中建模參考反應(yīng)相對(duì)簡(jiǎn)單[55–57]，故由此推斷隧穿并非催化效應(yīng)中的顯著因素。另一方面，已確知的是，隧穿程度（及隨之而來的 KIE）會(huì)隨勢(shì)壘高度顯著增加（因越過勢(shì)壘的轉(zhuǎn)移概率下降），因此人們預(yù)期酶催化反應(yīng)的 KIE 會(huì)顯著更低。同樣地，來自嗜中溫（EcDHFR）[58]、嗜熱（BsDHFR）[59]及超嗜熱（TmDHFR）[19]生物體的二氫葉酸還原酶（DHFR）同源物，盡管其活化能差異巨大，卻具有非常相似的 KIEs。因此，進(jìn)化很可能在勢(shì)壘高度變化的同時(shí)維持了隧穿程度。這一假說可在日益發(fā)展的古酶學(xué)領(lǐng)域[60–63]內(nèi)通過比較現(xiàn)代酶與較原始或已滅絕生物體酶的隧穿貢獻(xiàn)加以驗(yàn)證，例如利用祖先重建法。

2.2 溫度依賴性 KIEs 與快速動(dòng)力學(xué)的作用

隧穿現(xiàn)象決定性的實(shí)驗(yàn)證據(jù)是在低溫（深冷）條件下觀察到的溫度無關(guān)速率常數(shù)，此時(shí)經(jīng)典越障轉(zhuǎn)移的概率（公式1的指數(shù)部分）可忽略不計(jì)。例如，此類實(shí)驗(yàn)首次提供了蛋白質(zhì)中電子隧穿的證據(jù)[64]。然而，除在深冷溫度下進(jìn)行酶實(shí)驗(yàn)的實(shí)際困難（如底物結(jié)合等過程會(huì)被抑制）外，研究生理溫度下的生物反應(yīng)中隧穿貢獻(xiàn)更具相關(guān)性。

酶反應(yīng)的溫度依賴性被用于提取相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如活化焓（ΔH?）和活化熵（ΔS?）；而對(duì)于氫隧穿反應(yīng)，一個(gè)非常有用的指標(biāo)是 KIE 的溫度依賴性，通常通過測(cè)量不同同位素體間的活化能（ΔE?）或活化焓（ΔΔH?）差異來獲得（圖1）。實(shí)驗(yàn)已揭示 KIE 存在廣泛的溫度依賴性，從溫度無關(guān)的 KIEs（ΔΔH? = 0）到強(qiáng)溫度依賴的 KIEs（ΔΔH? ? 0）。即使對(duì)于 KIE 處于半經(jīng)典極限范圍內(nèi)的酶，其 ΔΔH? 范圍也難以用半經(jīng)典 TST 解釋。然而，由于隧穿概率（進(jìn)而 KIE）強(qiáng)烈依賴于隧穿距離，這一現(xiàn)象可通過隧穿就緒構(gòu)型（TRC）下供體-受體距離采樣的差異加以解釋[65–72]。TRC 是一種分子構(gòu)型：當(dāng)通過經(jīng)典重排實(shí)現(xiàn)了一個(gè)適合隧穿的靜電環(huán)境時(shí)，此時(shí)隧穿概率可通過沿供體-受體軸向的壓縮得到增強(qiáng)——該壓縮發(fā)生在比勢(shì)壘跨越快得多的時(shí)間尺度上（~皮秒量級(jí)）。由于這些模式引起的供體-受體壓縮程度隨溫度升高而增加，這導(dǎo)致隧穿概率上升、KIE 隨溫度升高而下降（如圖1所示）。這種供體-受體漲落常被表示為“促進(jìn)振動(dòng)”（promoting vibration），即一個(gè)單一諧振子模式，代表了沿 H 坐標(biāo)方向的整體供體-受體漲落。通過這種方式，KIE 的溫度依賴性可利用數(shù)值化的所謂“振動(dòng)模型”（vibronic models）[73–76]進(jìn)行建模，此類模型直接將隧穿概率與隧穿距離關(guān)聯(lián)起來。這些模型已被用于模擬酶變異體間結(jié)構(gòu)變化的影響[77–79]以及由分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬計(jì)算得出的促進(jìn)振動(dòng)的作用[80–82]。

對(duì)酶催化氫隧穿中動(dòng)力學(xué)作用的進(jìn)一步洞見來自關(guān)于靜水壓力效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究[83–88]。由于零點(diǎn)能主要源于斷裂鍵的高能伸縮頻率，它在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)基本不受壓力影響[89, 90]；而供體-受體漲落則可能受壓力影響，因此壓力依賴性的 KIE 是量子隧穿的指示器[91, 92]。不幸的是，在 KIE 的壓力依賴性與溫度依賴性之間尚未發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)單的趨勢(shì)[93]。例如，嗎啡還原酶（MR）的 KIE 隨壓力增加而增大，但 ΔΔH? 保持恒定；而在芳香胺脫氫酶（AADH）中，KIE 和 ΔΔH? 均隨壓力增大而減小。這些看似不一致的數(shù)據(jù)集已成功地通過結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和分子動(dòng)力學(xué)模擬提供的原子層面洞察力得以建模。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壓力對(duì)兩種酶的影響方式不同：在 MR 中，隨著供體和受體基團(tuán)被推擠靠近，促進(jìn)振動(dòng)變得更剛硬（頻率更高）[82, 94, 95]；而在 AADH 中，促進(jìn)振動(dòng)變得更為柔軟（頻率更低），盡管活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)未發(fā)生顯著變化[96]。因此，壓力效應(yīng)不易預(yù)測(cè)，因?yàn)閴毫?duì)酶結(jié)構(gòu)的作用具有各向異性[97]。然而，這些實(shí)驗(yàn)仍為進(jìn)一步理解隧穿與供體-受體壓縮模式之間的關(guān)系提供了額外證據(jù)。

雖然 KIE 及其溫度依賴性的效應(yīng)如今已被充分確立，但從進(jìn)化角度看待快速供體-受體振動(dòng)的作用及其對(duì)催化效應(yīng)的貢獻(xiàn)則更具爭(zhēng)議性。有觀點(diǎn)認(rèn)為，催化上重要的振動(dòng)模式在溶液中的非催化反應(yīng)與酶催化的反應(yīng)中是相同的[25]，且進(jìn)化傾向于高度預(yù)組織的活性位點(diǎn)——僅需很小程度的供體-受體壓縮即可實(shí)現(xiàn)隧穿[98–100]。然而，由于即使在高度預(yù)組織的活性位點(diǎn)中，H-轉(zhuǎn)移（無論是經(jīng)典反應(yīng)還是隧穿）也需要一定程度的壓縮，進(jìn)化似乎并非旨在最大化動(dòng)力學(xué)在氫隧穿中的貢獻(xiàn)，而是優(yōu)化此類模式的效率。這可能通過利用活性位點(diǎn)殘基的振動(dòng)模式[101]、通過約束底物使其處于有利于特定模式的構(gòu)象[102]，或簡(jiǎn)單地結(jié)合底物使固有正常模式與 H 坐標(biāo)重合[87]來實(shí)現(xiàn)。

2.3 一個(gè)典范模型系統(tǒng)——光激活的酶促氫轉(zhuǎn)移化學(xué)

大多數(shù)酶反應(yīng)是熱激活的，對(duì)這些系統(tǒng)的研究所受限制主要來自與擴(kuò)散相關(guān)的過程（例如底物和輔因子的結(jié)合）、蛋白質(zhì)構(gòu)象變化或產(chǎn)物釋放。在這種情況下，必須使用快速混合方法來研究反應(yīng)化學(xué)，而這通常使得在催化過程中直接監(jiān)測(cè)任何化學(xué)步驟的真實(shí)速率變得不可能。因此，反應(yīng)化學(xué)只能在較小的溫度范圍內(nèi)、以及相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間尺度（毫秒至秒）上進(jìn)行研究。相比之下，如果酶是光激活的，則此問題得以消除，因?yàn)榭梢允褂脝我还饷}沖觸發(fā)催化。因此，光激活允許在廣泛的溫度范圍和時(shí)間尺度（飛秒至秒）內(nèi)研究催化過程[103, 104]。故而，光激活酶系統(tǒng)為研究氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)中的隧穿現(xiàn)象，以及探究與反應(yīng)化學(xué)耦合的快速運(yùn)動(dòng)的作用，提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。光驅(qū)動(dòng)的葉綠素生物合成酶原葉綠素氧化還原酶（POR）即是一個(gè)這樣的例子，并已成為研究氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)機(jī)制的重要模型系統(tǒng)[103, 104]。

POR 酶催化氫原子（2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)電子）跨葉綠素前體原葉綠素（Pchlide）的 C17-C18 雙鍵進(jìn)行 反式 加成。該反應(yīng)已通過結(jié)合時(shí)間分辨光譜技術(shù)（飛秒–秒級(jí)）[105–112] 與低溫技術(shù)以捕獲催化中間體[103–105, 111, 113, 114] 被詳細(xì)研究，并涉及在微秒時(shí)間尺度上發(fā)生的兩個(gè)連續(xù)的酶促氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)（圖2）。當(dāng) Pchlide 底物被光照時(shí)，一個(gè)氫負(fù)離子（2個(gè)電子和1個(gè)質(zhì)子）從 NADPH 轉(zhuǎn)移至 Pchlide 分子，生成一個(gè)帶負(fù)電荷的中間體[106, 113]。這繼而促進(jìn)了一個(gè)質(zhì)子從活性位點(diǎn)殘基或溶劑向 C18 位置的轉(zhuǎn)移[105, 106]。因此，POR 提供了額外的優(yōu)勢(shì)——可在單一酶系統(tǒng)中研究?jī)蓚€(gè)獨(dú)立的氫隧穿反應(yīng)（圖2）。早期激光光激發(fā)研究表明，這兩個(gè)氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)均通過隧穿進(jìn)行，并與酶-底物復(fù)合物中的“促進(jìn)振動(dòng)”相耦合[106]。此外，在高壓下，與氫負(fù)離子轉(zhuǎn)移和質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)相關(guān)的 KIEs 均顯著降低，這表明氫負(fù)離子與質(zhì)子轉(zhuǎn)移對(duì)壓力的普遍響應(yīng)可能相似[93]。

有人提出，光在整體反應(yīng)中的作用是克服高度不利的氫負(fù)離子轉(zhuǎn)移化學(xué)所面臨的勢(shì)壘[106]。光照后，Pchlide 激發(fā)態(tài)中產(chǎn)生一個(gè)缺電子雙鍵，從而促進(jìn)來自 NADPH 的帶負(fù)電氫負(fù)離子親核攻擊[109]。最近的研究顯示，POR 中的氫負(fù)離子轉(zhuǎn)移反應(yīng)以分步方式進(jìn)行，包括從 NADPH 到 Pchlide 激發(fā)態(tài)的初始電子轉(zhuǎn)移，隨后伴隨一個(gè)質(zhì)子（或 H 原子）轉(zhuǎn)移，最終形成去質(zhì)子化的產(chǎn)物陰離子[110, 111]。這是首次報(bào)道酶催化中分步氫負(fù)離子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象——而非作為單一化學(xué)實(shí)體發(fā)生，而這只有在利用短激光脈沖觸發(fā) POR 反應(yīng)所獲得的極高時(shí)間分辨率下才得以觀察到[115]。

氫負(fù)離子轉(zhuǎn)移化學(xué)的 KIE 的速率與溫度依賴性，在所有來自植物、藻類及藍(lán)細(xì)菌的光依賴型 POR 酶中均保守存在[108, 112]。迄今為止所研究的所有 POR 酶中，其氫負(fù)離子轉(zhuǎn)移 KIE 的溫度依賴性在 -27°C 處均存在一個(gè)拐點(diǎn)[106, 112]。高于此溫度時(shí)，KIE 具有溫度依賴性，意味著氫負(fù)離子隧穿反應(yīng)依賴于促進(jìn)振動(dòng)；相比之下，低于 -27°C 時(shí)，KIE 變?yōu)闇囟葻o關(guān)，表明這些促進(jìn)振動(dòng)已被抑制。此外，氫負(fù)離子轉(zhuǎn)移速率與主體溶劑粘度無關(guān)，因此很可能由活性位點(diǎn)內(nèi)的局部動(dòng)力學(xué)控制，而非任何大尺度蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)[107, 112]。

活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)被認(rèn)為在所有 POR 酶中保守存在，且活性位點(diǎn)幾何構(gòu)型的微小改變已知會(huì)通過顯著影響光化學(xué)效率而損害氫負(fù)離子轉(zhuǎn)移[105, 109–111]。嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)要求以及 NADPH 與 Pchlide 在活性位點(diǎn)內(nèi)最優(yōu)定位被認(rèn)為是促成這一“困難”的光驅(qū)動(dòng)氫負(fù)離子轉(zhuǎn)移化學(xué)的關(guān)鍵因素[106, 112]。這一點(diǎn)已由近期提出的 POR-Pchlide-NADPH 三元復(fù)合物結(jié)構(gòu)模型所證實(shí)，該模型提示 NADPH 至 Pchlide C17 的給體-受體距離約為 4.5 ?，盡管該距離在 Pchlide 分子激發(fā)后可能發(fā)生改變[116]。

在氫負(fù)離子轉(zhuǎn)移之后，會(huì)發(fā)生一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，將質(zhì)子從保守的酪氨酸殘基或周圍溶劑傳遞至帶負(fù)電的中間體（Pchlide-H?），從而生成最終產(chǎn)物[105, 106]。與氫負(fù)離子轉(zhuǎn)移不同，不同物種 POR 酶之間質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)調(diào)控存在顯著差異[108, 112, 114]。在藍(lán)細(xì)菌 POR 中，質(zhì)子轉(zhuǎn)移依賴于溶劑動(dòng)力學(xué)，其相關(guān) KIE 是溫度依賴性的，這與存在一個(gè)復(fù)雜的擴(kuò)展蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)有關(guān)，該網(wǎng)絡(luò)與質(zhì)子隧穿反應(yīng)相耦合[107, 108, 112]。相反，在植物 POR 中，質(zhì)子轉(zhuǎn)移要快得多，且不依賴于溶劑耦合的動(dòng)力學(xué)網(wǎng)絡(luò)[108, 112, 114]。這表明，在植物 POR 中，質(zhì)子供體位于一個(gè)有利于質(zhì)子轉(zhuǎn)移的最優(yōu)位置，而在藍(lán)細(xì)菌酶中，則需要一定程度的蛋白質(zhì)重排來優(yōu)化質(zhì)子供體-受體距離[108, 112, 114]。近期藍(lán)細(xì)菌酶的結(jié)構(gòu)模型似乎證實(shí)了這一假設(shè)：在推測(cè)的、保守的酪氨酸質(zhì)子供體與 Pchlide 的受體位置之間，觀察到約 5 ? 的給體-受體距離[116]。同樣，很可能存在一條大型質(zhì)子傳遞路徑，與該酪氨酸殘基耦合，該路徑由多個(gè)活性位點(diǎn)殘基協(xié)調(diào)的水分子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成[116, 117]?？傮w而言，對(duì) POR 的研究突顯了在光激活系統(tǒng)中研究氫隧穿反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，并闡明了氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)機(jī)制以及與反應(yīng)化學(xué)耦合的快速蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)的作用。

2.4 結(jié)論

迄今為止，通過對(duì)觀測(cè)速率與 KIE 溫度依賴性的研究，我們已在酶促氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)中關(guān)于隧穿與快速動(dòng)力學(xué)的作用方面獲得了大量信息。從進(jìn)化角度看待隧穿的重要性以及動(dòng)力學(xué)在促進(jìn)氫轉(zhuǎn)移中的作用仍存爭(zhēng)議，而 KIEs 的溫度依賴性本身并不能說明蛋白質(zhì)或溶劑參與的程度。因此，人們正在尋求替代方法以探測(cè)隧穿反應(yīng)及快速蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)的作用。本文描述了 POR 如何作為一個(gè)光激活酶系統(tǒng)的典范模型，它可能有助于推進(jìn)對(duì)氫轉(zhuǎn)移化學(xué)中核量子效應(yīng)相對(duì)貢獻(xiàn)的研究。通過比較不同物種 POR 同源物的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)與建模數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步利用古酶學(xué)研究更原始或已滅絕物種的酶，該系統(tǒng)或許能揭示酶促氫隧穿的演化過程。

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