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.

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*