分享一篇发表在Angew上的文章，通讯作者是来自波兰科学院生化与生物物理研究所的Matthias Bochtler教授，他的研究方向主要是酶学和表观遗传修饰。

催化三联体是自然界酶催化工具箱的重要组成部分，通常由丝氨酸或半胱氨酸作为亲核试剂，通过氢键连接到组氨酸残基，再通过氢键连接到第三个三联体残基，通常是Asp/Glu/Asn。几十年来，一直认为第三个残基的作用不仅是促使组氨酸咪唑基定向，还能使其更具碱性，以促进质子从亲核试剂转移到咪唑上。

根据咪唑氮原子与亲核试剂的位置关系，可以区分两种三联体构型，分别是Nε和Nδ三联体。两种三联体被广泛认为是等价的，但核磁共振研究表明，组氨酸的Nε原子比Nδ高0.4个pKa单位，根据玻尔兹曼规则，这导致Nε上带有质子的组氨酸比Nδ互变异构体稳定约0.5~0.6kcal/mol。这种自由能差异在没有进化选择的压力下将对Nδ构型有约2.5倍的偏好。

由于三联体不仅作为催化基元出现，也作为结构元素出现。与酶催化有关的进化选择压力不应影响结构三联体，因此它们在PDB中出现的频率可用于稳定性测试。作者对PDB中非催化的三联体进行了分析统计，发现以丝氨酸、苏氨酸或半胱氨酸作为三联体第一个残基的Nδ偏好倍数分别为1.8、1.9和1.3倍，这与Nδ和Nε的碱性差异相符。

随后，作者对丝氨酸肽酶和半胱氨酸肽酶数据库中的结构进行了分析，该数据库根据进化标准对酶进行了分类。发现丝氨酸肽酶三联体几乎完全是Nε构型，少数例外都是高度可疑的例子，作者推测Nε三联体构型很可能是丝氨酸肽酶的进化选择。相反，半胱氨酸肽酶更偏好Nδ构型，也存在Nε构型。

作者接下来还检查了酯酶、其它α/β-折叠水解酶等丝氨酸酶类，发现除少数例子之外，丝氨酸催化三联体都是Nε构型的。在进行了大量的结构和文献分析后，作者认为可以从催化机理上理解丝氨酸三联体对Nε构型的偏好。丝氨酸羟基和半胱氨酸巯基的pKa约为13.6和9.1，而组氨酸咪唑基的pKa约为6.4，故催化过程的质子转移需要克服自由能差。这种自由能差在丝氨酸酶中更显著，而在半胱氨酸酶中较弱甚至不存在，因为蛋白局部环境可使pKa移动几个单位。因此碱性较强的Nε原子靠近丝氨酸，更加促进了较困难的质子转移步骤，而这一步骤更可能是丝氨酸酶而不是半胱氨酸酶的限速步骤。作者认为由此产生的丝氨酸酶的催化优势足以满足进化选择，尽管这是以蛋白稳定性为代价的。对于半胱氨酸酶来说，这种催化优势促进作用并不那么关键，所以Nε和Nδ构型均能存在。

总之，作者通过对丝氨酸和半胱氨酸催化三联体的结构分析，发现Nε-规则适用于丝氨酸酶类，这种能量上不利的选择在进化过程中持续存在，因为它们赋予了催化优势，可能是“Frustration in biomolecules“理论的一种形式。

本文作者：WFZ

责任编辑：JGG

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202206945

文章引用：DOI：10.1002/anie.202206945