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LOV（light-oxygen-voltage）结构域是植物、藻类和真菌的蓝光光受体，也是光遗传学中应用最广泛的工具之一。它们通过在一个几乎不含水分子的口袋中，促使保守半胱氨酸与其黄素发色团之间形成共价硫醚键而被激活；在这一反应中，需要一个质子从半胱氨酸跨越到黄素。其机制已争论了二十年(1)，而且由于该化学过程在微秒内即告完成，其基本步骤一直未能被揭示。这里，我们结合10个时间分辨串行飞秒晶体学快照、红外光谱以及QM/MM计算，在1.4埃分辨率下解析了整个事件序列：从黄素环的激发态畸变（10–100 ps），经由表面通道的水化（10 ns）以及一分子有序水进入活性位点，同时反应性半胱氨酸在其构象之间转换（100–500 ns），直到硫醚键本身——在1 s时被捕捉到处于半形成状态（半数分子已反应，半数仍处于预备状态）——并在10–100 s时完成。该水分子桥接半胱氨酸与黄素并转运质子，将能垒从约35 kcal/mol降低至约15 kcal/mol，并使反应速率提高约14个数量级（若无该水分子，其半衰期将约为237,000年），随后在成键之前离开。因此，蛋白质能够按需、短暂地使一个脱水活性位点重新水合，以克服原本难以逾越的反应能垒；这是一种超越光受体本身的催化策略。
LOV（Light-oxygen-voltage）结构域是植物、藻类和真菌中的蓝光光受体，也是光遗传学中应用最广泛的工具之一。它们通过在一个几乎不含水的口袋中发生反应而开启：一个保守半胱氨酸与其黄素发色团之间形成共价硫醚键，该过程需要一个质子从半胱氨酸跨越至黄素。其机制已争论了二十年(1)，而且由于化学反应在微秒内完成，其基本步骤一直隐而未见。这里我们结合10个时间分辨串行飞秒晶体学快照和红外光谱，以及QM/MM计算，以1.4 Å分辨率解析了完整的事件序列：从黄素环的激发态畸变（10–100 ps），到表面通道的水合（10 ns），再到当反应性半胱氨酸在其不同构象之间转变时，一个有序水分子到达活性位点（100–500 ns），直至硫醚键本身，在1 s时被捕捉到半形成状态（半数分子已反应，半数仍处于待发状态），并在10–100 s时完成。该水分子桥接半胱氨酸与黄素并传递质子，将势垒从约35 kcal/mol降至约15 kcal/mol，并使反应速率提高约14个数量级（若无此水，半衰期将约为237,000年），随后在键形成前离开。因此，蛋白质能够按需、短暂地使脱水的活性位点重新水合，以克服原本难以逾越的反应势垒；这一催化策略远不止适用于光受体。
📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.08.02.742302v1?rss=1
🏷️ LOV光受体 共价硫醚键形成 时间分辨晶体学 质子转运 QM/MM计算
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