酸−碱催化涉及一个或多个质子转移反应，是许多酶常用的一种化学机制。催化作用的分子机制通常依据酶活性最适pH值下确定的结构。然而，从实验结构中直接观察质子是相当困难的，因此，大多数酶仍然缺乏完整的机理研究。

二氢叶酸还原酶（DHFR）是酸−碱催化的典型代表，其底物DHF进行氢化物转移和质子化形成四氢叶酸（THF）。在前期报道中，X射线和中子晶体结构加上理论计算已经提出溶剂介导质子化步骤。然而，质子转移的可视化一直是难以解决的问题。

有鉴于此，Case Western Reserve University的Chris G. Dealwis组基于在酸性pH下测定的大肠杆菌来源的DHFR伪米氏复合物、分辨率为2.1Å的中子结构，对催化质子及其母体溶剂分子质子转移进行了直接观察。首先，在酸性和中性pH条件下对X射线和中子结构进行比较，结果显示酸性pH条件下动力学衰减，即使对于调节性Met20 loop也是如此。

图片来源：ACS Catal.

on style="white-space: normal; text-indent: 2em;">随后，在结构计算的指导下，研究人员提出了一种动力学对溶剂进入和底物质子化至关重要的机制。这一机制引发了一个氢离子（H₃O⁺）释放出单质子，该质子通过一个狭窄的通道，而该通道在空间上阻碍水分子的通过，并最终使DHF在N5原子上质子化。

图片来源：ACS Catal.

综上，该研究结果证明了在pH范围内进行的中子和X射线衍射对比研究的能力，即使这些pH值与所研究酶的最佳pH值明显不同。在低pH下用中子衍射解决的结构可以提供一个“质子陷阱”。X射线和中子衍射与QM/MM计算的结合是可视化动态系统的独特工具，其中每种技术都提供了宝贵的缺失细节，相互补充，对酶机制做了更完整地解释，这对于具有酸−碱催化机制的酶尤其重要。

参考文献：Capturing the Catalytic Proton of Dihydrofolate Reductase: Implications for General Acid−Base Catalysis

ACS Catal. 2021, 11, 5873−5884

原文作者：Qun Wan,* Brad C. Bennett, Troy Wymore, Zhihong Li, Mark A. Wilson, Charles L. Brooks, III, Paul Langan, Andrey Kovalevsky, and Chris G. Dealwis*