一篇自己即将发表论文的中文稿.doc

一篇自己即将发表论文的中文稿
一篇自己即将发表论文的中文稿2009/12/16 17:20唯铁氢化酶的结构与机理0摘要氢化酶(H2ases)催化氢分子的可逆氧化反应,在微生物能量新陈代谢中具有重要作用。大多数这种酶存在于古菌和细菌当中,但是也有一些出现在真核生物体内。他们被分为三类:Fe-氢化酶,NiFe-氢化酶和不含金属氢化酶。大多数已知氢化酶属于前两类,超过100种这种酶已经在基因层面上或是生物化学层面上被表征。人们注意的序列和结构中信息表明,NiFe-氢化酶和Fe-氢化酶是差异极大的两种蛋白质。NiFe-氢化酶的催化中心是一个异聚体蛋白质,尽管许多这种蛋白质中出现了另外的亚单元。人们已经定义了NiFe-氢化酶的功能级别,他们与被定义成催化亚单元序列相似度的分类是一致的。Fe-氢化酶的催化中心大约由350个氨基酸组成,这350个氨基酸包括了活性中心(H-簇)。一些单体Fe-氢化酶仅仅比H-簇大一点。许多其他的也是单体,但包括其他一些含有氧化还原中心(大多是是铁-硫)的部分。这里,基于对比演示和对比讨论,详细讨论了唯铁氢化酶的结构与机理。1引言由于氢化酶在生物化学领域以及在工业领域的潜在应用(尤其是催化产氢以及燃料电池领域),氢化酶引起越来越多科学家的研究兴趣。氢化酶活性中心包含过渡金属原子,根据催化活性中心金属原子的不同,氢化酶主要分为两类:唯铁(Fe-only)氢化酶,镍铁(Ni-Fe)氢化酶(包括Ni-e和Ni-Fe-se两种)。铁铁氢化酶能够可逆地催化质子还原产氢,而镍铁氢化酶主要是氧化裂解氢气为质子。而且铁铁氢化酶的产氢活性高达6000--9000mol/s,是镍铁氢化酶的10--100倍,更具研究价值。因此目前科学家们主要对铁铁氢化酶活性中心进行化学和功能模拟。近年来生物无机化学及其相关领域的飞速发展,为生物酶微观结构的认识提供了技术支持。1995年,美国Peters研究组从Clostridium pasterurianum(Cpl,巴氏梭菌)中提取出了一类铁唯氢化酶蛋白,并得到了高分辨晶体结构,,见图1(a)]。1999年,Fontecilla等人报道了从Desulfovibrio desulfuricans(DdH,脱硫脱硫弧菌)中所提取的铁铁氢化酶蛋白的晶体结构。通过巴氏梭菌和脱硫脱硫弧菌铁铁氢化酶的晶体结构中可以发现,从这两类不同的有机生物体内得到的铁铁氢化酶具有几乎相同的活性中心结构。其活性中心由一个[4Fe4S]立方烷通过半肌氨酸的硫原子与一个[2Fe2S]单元相连,被称为氢簇(H-cluster),。在催化质子还原过程中,[4Fe4S]簇通常作为传递电子的通道,而[2Fe2S]单元是催化反应的活性部位,负责吸附质子,生成氢气。「2Fe2S]单元呈蝶状结构,-和CO两类配体,这两类配体通常被认为是对生物体有毒害作用的基团,在此之前从未在生物体内发现过。铁原子周围是准八面体的立体结构,也叫做类四角锥构型。两个铁原子通过一个二硫醇桥连接,桥连铁原子的二硫配体由三个饱和的轻原子连接。最初,人们认为这三个轻原子均为碳原子,也就是说该桥配体为1,3-亚丙基。但随着研究的日益深入,理论计算和光谱研究均表明,连接两个硫原子的桥配体结构为2-氮杂-1,3-亚丙基。氮杂原子在氧化还原产氢过程中可能起到质子转移的关键作用。[2Fe2S]单元中Fe--,具有典型的金属键特征。该距离基本不随铁原子的氧化还原态变化而改变。而通过化学模拟得到的氢化酶模型化合物中,-和CO配体取代的[2Fe2S]结构的Fe-。含有桥羰基的氢化酶模型化合物的Fe-,更接近生物体内铁铁氢化酶中铁原子之间的键长。由此可见,桥羰基和半胧氨酸配体在质子还原过程中起到了重要的作用。Ⅰ的结构是高度相似的,均能分为活性端区域和附属簇区域。它们活性端区域的DALI研究表明,先前在蛋白质数据库中发现中没有相似的结构区域。CpⅠⅠ唯Fe氢化酶区域结构,铁原子以赭色表示,硫为黄色,氮为蓝色,碳为黑色,氧为红色;紫色表示未知组成的硫-桥键区域。(a)CpⅠ唯Fe氢化酶的整体结构,深蓝色显示的是它的活性区域,绿色显示的是2[4Fe-4S]-铁氧化还原物蛋白区域,蓝绿色显示的是组氨酸-配位[4Fe-4S]区域,紫色为[2Fe-2S]-铁氧化还原蛋白区域。(b)CpⅠ活性端区域的色坡卷表示,区域N端以海军蓝色开始,蛋白质C端以红色结尾。(c)[4Fe-4S]簇环境的立体结构,[4Fe-4S]簇由配位在Fe原子上的三个半胱氨酸残留物和一个单体组氨酸Nε构成。
构是极其相似的,以至于超过90%对应的Cα原子能够重叠