综述：沙漠、河流、池塘和冲沟：氮酶蛋白的水相特征及其功能

《ChemBioChem》：Deserts, Rivers, Pools, and Billabongs: Water Features of the Nitrogenase Proteins, and their Functions

氮化酶的催化机制中，水分子的结构分布及其功能被系统解析。文章揭示了蛋白质内部存在广阔的干燥区域（沙漠），以及两条关键水链——质子传递链（Grotthuss机制）和氨生成链（通过水分子网络传递NH?）。不同金属同源酶（Mo、V、Fe）的水结构存在显著差异：Mo型酶具有连续的质子传递水链和明确的氨生成路径，而V型酶的质子传递链分叉且与氨生成路径的连接方式不同。晶体结构和冷冻电镜数据表明，水分子网络与蛋白质三级结构紧密关联，如甘氨酸和精氨酸残基对水链构象的稳定作用。研究还发现，His-水分子通过氢键网络连接表面质子源与金属硫簇活性位点，而东北水塘等特殊结构可能对催化过程起辅助作用。最后对比了氮化酶与细胞色素c氧化酶的质子传递机制异同。

　　氮酶是自然界中一种极为重要的酶，它能够将分子氮（N?）转化为氨（NH?），这一过程在生物化学中具有独特的挑战性。氮酶的催化活性位点通常包含一个复杂的金属硫簇结构，其中可能包含钼（Mo）、钒（V）或铁（Fe）等金属。该酶在氮固定过程中起着关键作用，其催化机制需要8个质子和8个电子，这在酶学中是非常罕见的。氮酶的反应物和产物在酸碱特性上存在对立，这一特性进一步增加了其反应机制的复杂性。在本文中，我们将探讨氮酶蛋白中水分子的分布及其在催化过程中的作用，尤其是与活性位点相关的水结构、水通道、水池以及水分子如何支持质子和氨的传输。

氮酶的活性位点是一个特殊的金属硫簇，它不仅具有独特的化学性质，还围绕着该位点形成了广泛的无水区域，称为“沙漠”。这些无水区域的存在使得质子的供给路径和氨的排出路径更加明显。在蛋白质的表面和活性位点之间，存在两个方向相反的水通道，分别用于质子的输入和氨的输出。这些水通道可能通过类似于Grotthuss机制的质子传递过程进行运作，其中水分子在相邻原子之间发生氢键的转移和重排。水分子在这些通道中的排列和相互作用对于酶的催化活性至关重要，它们能够协助质子的有序传输和氨的稳定排出。

此外，氮酶的结构还包含多个水池和孤立的水分子，这些水分子在蛋白质内部形成复杂的网络。其中，一个重要的单个水分子与组氨酸（His）残基的Nδ原子形成氢键，同时该水分子还与活性位点的S2B原子相连。这种水分子被称为“His-water”，它在氮酶的各个同工酶中都存在，并且其连接方式是高度保守的。这一水分子可能在质子的缓冲和传递过程中发挥关键作用，特别是在质子从蛋白质表面向活性位点传递的过程中，以及质子从活性位点向产物释放的过程中。

水分子在氮酶中的分布和作用还涉及多种蛋白质结构特征。例如，Mo-氮酶的活性位点周围存在一个相对较大的水池，该水池与组氨酸残基和金属硫簇之间的氢键网络相连。相比之下，V-氮酶的水结构较为紧凑，且未延伸至蛋白质表面，这表明其质子传递路径可能与Mo-氮酶存在差异。Fe-氮酶的水结构则表现出一定的独特性，其中水分子的分布可能与蛋白质结构的动态变化有关。

通过高分辨率的晶体结构和低温电子显微镜（cryoEM）数据，可以观察到氮酶蛋白中水分子的分布和作用。这些结构显示了蛋白质内部的水通道和水池如何在酶的催化循环中起着重要作用。例如，在Mo-氮酶的结构中，水分子通过氢键网络连接，其中一些水分子可能作为质子的“等待区”，即“质子湾”，以确保质子的有序传递。而在V-氮酶中，水结构的不连续性可能表明其质子传递路径存在不同的机制。

值得注意的是，氮酶的反应区是完全无水的，这表明水分子不能直接参与反应物的活化或产物的形成。因此，水分子在氮酶中的作用主要是通过其氢键网络支持质子的传递和氨的排出。例如，在Mo-氮酶中，水分子的氢键网络可以作为质子传递的“水线”，即“河流”，其中质子通过水分子之间的氢键进行滑动和转移。这种机制可能在V-氮酶中被不同的结构所改变，例如，通过替代的Grotthuss机制，其中水分子可能与不同的氢键连接，如酪氨酸（Tyr）和苏氨酸（Thr）的侧链。

氮酶的水结构还涉及一些非传统的水分子排列，例如，某些水分子可能与组氨酸残基的Nε和S2B原子形成氢键，而其他水分子可能在不同的区域形成稳定的氢键网络。这些水分子可能在不同的酶同工酶中表现出不同的行为，例如，在Mo-氮酶中，水分子可能通过不同的路径连接到活性位点，而在V-氮酶中，水分子可能更紧密地围绕着金属硫簇，从而形成更紧凑的结构。

水分子在氮酶中的作用不仅限于质子传递和氨排出，还包括调节反应位点的酸碱环境。由于氮酶的反应物N?和产物NH?分别具有酸性和碱性特征，因此需要一种机制来支持这两种物质的转移。水分子可能通过其氢键网络调节这一酸碱平衡，从而确保反应的顺利进行。

此外，水分子在氮酶中的作用还涉及蛋白质结构的动态变化。例如，在某些结构中，水分子可能与蛋白质的结构变化相关，如蛋白质的折叠或展开，从而影响质子传递和氨排出的效率。这些动态变化可能通过水分子的氢键网络和排列来实现，为酶的催化循环提供支持。

氮酶的水结构和功能也与其他酶系统存在相似之处，例如，细胞色素c氧化酶（CcO）的质子传递路径与氮酶的水通道有某些相似之处。然而，氮酶的水结构更加复杂，其功能也更加多样化。例如，氮酶的水通道可能与质子传递和氨排出的机制紧密相关，而CcO的水通道则主要负责质子的跨膜运输。

总之，氮酶蛋白中的水分子不仅在结构上具有重要特征，还在催化过程中发挥着关键作用。通过分析氮酶的晶体结构和低温电子显微镜数据，可以更深入地理解水分子如何支持质子和氨的传递，以及它们如何调节反应位点的酸碱环境。这些水分子的分布和功能为氮酶的催化机制提供了重要的结构支持，使得该酶能够在温和的条件下完成这一复杂的化学反应。