量子力學計算揭示酶活性位點的隱藏狀態

圖片說明：鐵硫簇（a [2Fe-2S] cluster）。圖片來源：C. Todd Reichart

 

在金屬原子簇這一活性位點的幫助下，酶支配著很多基本的生物過程，比如光合作用、固氮作用和呼吸作用。但是科學家缺乏對酶這一功能的基本了解，因為對研究酶的化學性質至關重要的狀態無法借由實驗進行觀測。現在，美國普林斯頓大學（Princeton University）的研究人員首次直接觀測了鐵硫簇的電子狀態（鐵硫簇是很多酶的活性位點）。該研究成果發表於2014年8月31日的Nature Chemistry雜志，研究通過計算鐵硫簇中電子復雜的量子力學行為來揭示此狀態。

 

論文的通訊作者、化學系教授Garnet Chan說道：「鑑於量子力學的復雜度，這些問題一度被認為不可能建模。」

 

在這些系統中，電子之間有著較強的相互作用，它們的運行就像一支復雜的舞蹈。為了降低計算復雜度，研究人員從量子信息理論的基本原理中推導得出，電子運動有著特殊的形態。

 

「乍看上去，電子以復雜的方式運動，但最終你會發現只有周圍最鄰近的電子對其運動有影響，這就類似於擁擠在一個房間裡的人。電子行為限制的發現大大簡化了計算過程——雖然很難，但建模是有可能的，而這只是我們工作的一小部分。」

 

使用這些新方法，Chan和他的團隊人員發現鐵硫簇的電子狀態比之前研究所報道的都多。於是，他們認為這一豐富的電子狀態可以用來解釋普遍存在的生物過程。

 

他們發現電子狀態實際上要比之前想象的多很多，這一發現表明酶中存在許多不同的化學狀態。假設這些鐵硫簇使用的是一種聯合機理，而不像之前大家所認為的那樣只有一條明顯的電子通道，結果會怎樣？Chan一直在思考這個問題。為了驗證這一問題並進一步了解鐵硫簇的行為，研究人員試圖加大計算量，來觀測正在進行的化學變化。

 

「如果你想知道為什麼鐵硫簇是一個獨特的生化主體，我們如何能得到更好的合成物，我們就必須知道電子的運動過程。」Chan說道，「現在我們已初步觀測它們的運動過程。」