深入理解酶催化反应选择性的调控因素，不仅能够阐明酶催化反应中的基本化学原理，也是实现对酶催化选择性进行理性改造的理论基础。在原子尺度上解析酶催化过程的动态行为，有助于精准设计具有更高产率与更高专一性的工业酶催化剂。

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所蛋白模拟与设计团队通过分子动力学模拟和QM/MM计算等多尺度模拟方法，首次在原子水平上系统揭示了细胞色素P450酶CYP11A1精准调控胆固醇连续羟基化反应中的区域选择性和立体选择性调控机制。该项研究发现了Cpd 0物种在影响酶催化选择性中发挥的关键作用，而该物种在以往的P450酶的设计与模拟中常被忽视。研究结果表明，CYP11A1酶对胆固醇分子羟基化反应的区域选择性早在Cpd 0阶段就已形成。这是由于该酶中天冬氨酸D329残基与Cpd 0氧化物之间的氢键网络影响了底物的结合状态，使得胆固醇的C22位点优先于C20位点靠近活性中心。相比之下，直接使用Cpd I的血红素催化中心模型进行模拟，则无法获得正确的催化选择性结果。说明复杂酶催化反应选择性调控机制研究中需综合考虑催化循环各个步骤。

研究进一步揭示了连续催化过程中，酶催化中心表现出活性口袋与底物之间的动态适配性。当第一步反应生成的中间体准备进行下一步羟基化时，中间体自身的羟基可与酶活性中心形成关键氢键作用，诱导底物发生结合状态变化，确保后续羟化反应能够具有良好选择性。该研究系统解析了CYP11A1酶催化胆固醇连续羟化反应的催化机制，揭示了血红素活性位点Cpd 0状态对P450酶催化选择性的解释和改造中发挥的关键作用，为P450酶的改造、设计奠定了坚实的理论基础。

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目的支持，相关成果已发表于ACS Catalysis。天津工生所科研助理岳建晴为论文第一作者，盛翔研究员和苏浩副研究员为通讯作者。

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CYP11A1酶催化胆固醇连续选择性羟化反应示意图