氨单加氧酶（AMO）是氨氧化细菌中催化氨氧化为羟胺的关键膜蛋白，在全球氮循环与温室气体氧化亚氮（N₂O）排放中扮演重要角色。此外，氨代谢紊乱与多种疾病相关，尤其以肝性脑病为典型代表——该病常因肝功能严重受损导致血氨升高，进而影响中枢神经系统功能。AMO作为自然界氨氧化的关键酶，其催化机制的理解将为氨代谢研究提供新的结构视角。尽管其同源酶——颗粒甲烷单加氧酶（pMMO）已得到广泛研究，但AMO的结构与催化机制长期未知，限制了对其功能的深入解析。
2026年初，清华大学生命科学学院/北京生物结构前沿研究中心隋森芳课题组联合南方科技大学医学院李宗强课题组与华东师范大学董宏坡课题组，在Nature Communications上发表了题为“Structural insights into the catalytic mechanism of ammonia monooxygenase”的研究论文。该研究利用冷冻电镜技术，首次解析了来源于红树林沉积物氨氧化细菌Nitrosononas halophila ZJB1的AMO高分辨率结构（2.36 Å），揭示了其由五个亚基组成的独特组装形式、双核铜活性中心以及质子传递路径，为深入理解氨氧化机理及其在氮循环调控、农业氮高效利用、温室气体减排和氨代谢紊乱相关疾病治疗等方面的作用提供了关键结构依据。
图1. AMO全酶的三维结构及组成
研究人员首先从红树林沉积物中分离出一株高效氨氧化细菌，并建立其遗传操作体系，成功纯化出AMO复合体。借助冷冻电镜技术解析了AMO的高分辨率三维结构。AMO整体呈圆柱状的同源三聚体。每个单体包含五个亚基：已知的核心亚基AmoA、AmoB、AmoC，以及两个新鉴定亚基——单次跨膜蛋白AmoD和可溶性蛋白AmoE（图1）。生物信息学分析提示，AmoD与AmoE可能参与维持复合体稳定性和跨膜信号调节。这些发现更新了以往认为AMO仅由三个亚基组成的传统认识，为AMO的功能调控提供了新的线索。
图2. AMO的酶活催化中心及质子转运通道
研究人员进一步在AMO结构中明确解析了三个铜结合位点。尤为重要的是，在内膜区域首次发现一个双核铜中心（CuC和CuD），位于由五个跨膜螺旋形成的疏水通道顶端，很可能协同催化底物氨的氧化（图2a-e）。这一发现突破了以往关于AMO仅依赖单铜中心催化的观点。此外，从位于AmoB的CuB位点到双核铜中心之间存在一条由水分子介导的氢键网络（图2f），可能作为催化过程中的质子传递通路，为揭示AMO催化机制提供了新证据。
图3. AMO独特的表面电荷分布
研究人员还发现AMO表面具有独特的静电势分布（图3），其周质侧强负电荷聚集的区域为细菌从外界摄取带正电的氨根离子提供了结构基础；而其靠近细胞膜表面交替出现的正负电荷区域则可能其在底物的识别与转运方面发挥重要作用。这些特征明显不同于pMMO，说明这两个关键的金属酶具有不同的酶活调控机制。
值得一提的是，氨代谢异常与肝性脑病等多种疾病密切相关。AMO作为自然界氨氧化的关键酶，其高效、专一的催化机制为理解氨的代谢转化提供了新的结构视角。该研究不仅增进了对氨氧化分子机制的认识，也为未来通过靶向AMO调控氮循环、减少N₂O排放、提升氮肥利用效率，以及发展针对氨毒性代谢疾病的新型干预策略与药物设计，奠定了重要的理论与结构基础。
清华大学生命科学学院/北京生物结构前沿研究中心隋森芳院士、南方科技大学医学院药理学系李宗强研究员、华东师范大学河口海岸学国家重点实验室董宏坡研究员为本文共同通讯作者。南方科技大学生命科学学院研究助理教授杨肖云、南方科技大学医学院李宗强研究员、华东师范大学毛铁墙博士（现为南方科技大学医学院博士后）为共同第一作者。该研究获得了国家自然科学基金、深圳市科技创新局等项目的支持。南方科技大学冷冻电镜中心为数据收集和处理提供了重要技术支撑。
