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主要作者及机构

该研究由Yangyang Zhang、Mingchen Chen、Jiajun Lu、Wenfei Li、Peter G. Wolynes和Wei Wang共同完成。主要研究机构包括南京大学物理系、固体微结构物理国家重点实验室、中国科学院大学温州研究院、以及美国莱斯大学理论生物物理中心。该研究于2022年8月31日发表在《The Journal of Physical Chemistry B》期刊上。

学术背景

该研究属于酶催化动力学领域，主要探讨了底物抑制（substrate inhibition）的分子机制。底物抑制是指当底物浓度过高时，酶的催化活性反而下降的现象。这种现象在许多酶中都有观察到，但其分子机制尚不明确。该研究以腺苷酸激酶（adenylate kinase, ADK）为模型酶，通过分子动力学模拟和能量景观模型，揭示了底物抑制的动力学重新分配机制（kinetic repartitioning mechanism）。

研究流程

1. 模型构建与模拟
   研究首先构建了一个动态能量景观模型（dynamic energy landscape model），用于描述ADK的酶催化循环。该模型基于ADK的两种底物结合位点（ATP和AMP结合位点），并通过分子动力学模拟（molecular dynamics simulations）来模拟整个酶催化循环。模拟中使用了CafeMol软件包，并优化了模型参数以匹配实验数据。

2. 底物抑制的分子机制研究
   通过模拟不同AMP浓度下的酶催化循环，研究计算了酶的周转率（turnover rate），并观察到底物抑制现象。研究进一步计算了底物抑制的关键参数，包括最大催化速率（kcat）、米氏常数（Km）和抑制常数（Ki）。此外，研究还通过计算平均首次通过时间（mean first passage time, MFPT）来分析底物抑制的分子机制。

3. 单分子酶动力学分析
   研究进一步通过单分子水平的模拟，分析了底物抑制对酶动力学的影响。通过计算单分子周转时间的分布，研究揭示了底物抑制在单分子水平上的特征。

4. 局部挫败分析
   研究使用原子挫败计（atomistic frustratometer）分析了ADK结合位点的局部挫败（local frustration），并揭示了底物抑制与局部挫败之间的关系。

主要结果

1. 底物抑制的动力学重新分配机制
   研究揭示了底物抑制的动力学重新分配机制。当AMP浓度过高时，过量的AMP会非特异性地结合到ATP结合位点，抑制了通过底物-产物共结合复合物（substrate-product cobound complex）的催化路径。这种复合物虽然能量上受挫，但在动力学上是有利的，能够促进瓶颈产物ADP的释放。因此，过量的AMP抑制了这种路径，导致产物释放减慢，从而降低了整体催化速率。

2. 酶构象平衡与底物抑制的关系
   研究发现，酶的构象平衡（conformational equilibrium）与底物抑制的程度密切相关。偏向闭合构象（closed conformation）的酶突变体表现出更强的底物抑制效应。这与之前的实验观察一致，即增加酶稳定性的突变往往会增强底物抑制。

3. 单分子酶动力学的特征
   研究通过单分子水平的模拟，揭示了底物抑制在单分子水平上的特征。底物抑制主要表现为产物释放时间的分布变宽，这与底物抑制主要来源于产物释放步骤的结论一致。

结论

该研究通过动态能量景观模型和分子动力学模拟，揭示了底物抑制的动力学重新分配机制。研究表明，底物抑制主要来源于产物释放步骤的减慢，而非催化复合物的形成步骤。此外，研究还揭示了酶构象平衡与底物抑制之间的紧密关系。这些发现为理解底物抑制的分子机制提供了新的视角，并可能适用于其他多底物酶。

研究亮点

1. 新颖的动力学重新分配机制
   研究首次提出了底物抑制的动力学重新分配机制，揭示了过量的底物通过抑制受挫路径来减慢产物释放的分子机制。

2. 单分子水平的酶动力学分析
   研究通过单分子水平的模拟，揭示了底物抑制在单分子水平上的特征，为理解底物抑制提供了新的实验依据。

3. 局部挫败分析的应用
   研究使用原子挫败计分析了ADK结合位点的局部挫败，揭示了底物抑制与局部挫败之间的关系，为理解酶催化机制提供了新的视角。

其他有价值的内容

研究还通过突变分析，进一步验证了酶构象平衡与底物抑制之间的关系。这些结果为酶工程和药物设计提供了新的思路。

该研究通过创新的模型和模拟方法，揭示了底物抑制的分子机制，为酶催化动力学领域提供了重要的理论支持。