氢化酶及其模拟物最新研究进展精要

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1、氢化酶及其最新研究进展1氢化酶的定义及分类1.1氢化酶的定义微生物的能量代谢过程中常伴随着质子还原和氢气的氧化过程，经过研究人们发现，在这些微生物体内存在一种蛋白酶，能够催化氢气和质子之间可逆的氧化还原过程，这种酶被称为氢化酶(Hydrogenases,简称为Hases);也称为氢酶，是存在于微生物体内可逆催化氢气氧化还原反应(反应为H22H++2e-)的一类生物酶[1]。1.2氢化酶的分类目前人类已经发现并且提纯了多种氢化酶，各种氢化酶在它们的蛋白结构和所利用的电子载体的种类（如铁氧化还原蛋白、红素氧化蛋白等）上有着很大的差异[1]。据氢化酶活性中心所含金属原子的不同，氢

2、化酶主要分为三种类型[2]：(1)[FeFe]氢化酶,存在于细菌和低等真核细胞中，如藻类和原生生物，可以可逆地催化质子和氢气之间氧化还原过程，但一般认为其主要功能是催化质子还原产氢，对氧气较为敏感[2]。(2)[NiFe]氢化酶，存在于大多数细菌，许多古生菌和藻氰菌中，最初的研究认为这种酶的主要功能是催化氢气氧化，但后来发现有些[NiFe]氢化酶也是良好的产氢催化剂；这类酶中有些含有Se，被称为[NiFeSe]氢化酶[2]。(3)[Fe]氢化酶，这类酶只存在于产甲烷的古生菌中，酶中不含Ni原子和[FeS]簇，它不能直接催化氢气和质子之间的氧化还原过程，它的功能是在氢气存在下

3、可逆地催化methenyl-H4MPT+还原产生methene-H4MPT和质子，这一反应过程是微生物体内二氧化碳转化成甲烷的一个中间步骤[2]上述三种酶中，[FeFe]氢化酶的催化效率最高，约为其他两种的10-100倍[1]。[NiFe]氢化酶在自然界中含量最丰富，人们对其研究最为广泛和深入而根据氢化酶的催化特性，可将氢化酶分为吸氢酶放氢酶和双向氢酶等类型[2]。2氢化酶的活性中心2.1[NiFe]氢化酶的活性中心结构[3]1996年，Voldeba等人对D.gigas菌中[NiFe]氢化酶做了高分辨率的晶体解析，活性中心的结构基本确定：NiFe氢化酶活性中心是一个Ni-

4、Fe异双核结构，与Ni配位的为四个半胱氨酸，其中两个通过半胱氨酸的S原子作为端基配位，另外两个则通过半胱氨酸的S原子与Fe相连，Fe周围不再有其他蛋白配体，而是有一个CO和两个CN-作为端基配位，Ni-Fe间还有一个含氧配体参与成桥。这样Ni为五配位的四方锥构型，Fe为六配位的变形八面体，两个S与两个CN-在赤道平面上，CO与O处于轴向，Fe周围的强场可导致Fe保持低自旋。图2.1不同氧化态的[NiFe]氢化酶的活性中心结构2.2[FeFe]氢化酶的活性中心结构[3]1998年，Peters课题组发表了巴氏梭菌[FeFe]氢化酶(简称CpI)的晶体结构[8]；1999年，F

5、ontecilla-Camps课题组发表了脱硫脱硫弧菌[FeFe]氢化酶(简称DdH)的晶体结构。研究发现，[FeFe]氢化酶的活性中心，也叫氢簇，深深嵌入蛋白质内，在这两种氢化酶的蛋白质表面和氢簇之间都有一条疏水通道，由于氢化酶CpI(催化质子产氢)和DdH(催化氢气氧化)具有不同的催化功能，这条疏水通道被认为是氢气自活性中心传出或氢气由蛋白质外到达活性中心的重要通道。通过单晶解析,光谱和理论计算等研究，基本确定了[FeFe]氢化酶的基本结构特征：它的活性中心是由一个[4Fe4S]立方烷和一个[2Fe2S]子簇组成，这两个子簇之间是通过[4Fe4S]的一个半胱氨酸残基的硫

6、原子与[2Fe2S]的一个Fe相连，[4Fe4S]立方烷通过另外三个半胱氨酸与蛋白质骨架相连。两个Fe中心通过一个双硫醇负离子配体桥连，两个双硫间的桥头原子可能为CH2，O或NH。此外，[2Fe2S]子簇中的两个Fe中心都含有不寻常的双原子非蛋白配体CO和CN-，而这两种配体对生物体有毒，在生物酶中较为罕见。对DdH活性中心的结构研究表明，它可以氧化态(Hox)和还原态(Hred)两种形式存在，其活性中心结构见图2.2。图1.2DdH氢化酶活性中心的结构CpI和DdH非常相似，但仍然有区别。在CpI氢化酶活性中心的Fed中心不再有空的配位点，而是有一个H2O配体。当CpI氢

7、化酶的氧化态Hox处于高浓度的CO气氛时，会产生CO抑制态HoxCO,此时氧化态桥羰基反位的水分子或空配位点被CO配体所取代,这表明此配位点是氢化酶发生催化作用的活性位点[11]。CpI氢化酶活性中心的结构见图2.3。图2.3CpI氢化酶活性中心的结构3氢化酶及其模拟物的研究进展3.1[FeFe]氢化酶及其模拟物研究进展3.1.1二茂铁基[FeFe]氢化酶JamesM等[4]报道了具有氧化还原活性的适当修饰的二茂铁基配体Cp*Fe(C5Me4CH2PEt2)(FcP*)，在温和电位下的氧化复制了铁氧还蛋白的功能，与