质子网络柔性使类固醇酮异构酶活性位点具备鲁棒性与强电场

氢键网络在从蛋白质折叠到酶催化的生物功能中发挥着至关重要的作用。在这里，我们结合电子结构计算和从头算路径积分分子动力学模拟（同时包含核与电子的量子效应），以说明为什么类固醇酮异构酶活性位点中的短氢键网络对沿网络的突变具有显著的鲁棒性，以及这如何产生大的局部电场。我们证明，这些性质源于网络通过移动质子位置和重新分布电子电荷密度来响应扰动的能力。这种柔性导致了诸如残基的部分电离以及残基突变时的 $pK_a$ 同位素效应等性质的微小变化，这与最近的实验一致。当中间体类似物存在并形成扩展的氢键网络时，这种质子柔性进一步增强，这使我们能够解释最近实验中观察到的酶活性位点中强电场的化学起源。