氢酶结构及催化机理研究进展

氢酶是一类催化氢的氧化或质子还原的酶,它在微生物产氢过程中扮演着重要角色。根据氢酶所含的金属元素,可分为NiFe_氢酶、Fe-氢酶和不含金属元素的metal_free氢酶。大多数氢酶含有金属原子,它们参与氢酶活性中心和[Fe_S]簇的形成。氢酶的活性中心直接催化氢的氧化与质子的还原,[Fe_S]簇则参与氢酶催化过程中电子的传输。目前已有数种NiFe_氢酶和Fe_氢酶的X射线衍射晶体结构被阐明。根据metal_free氢酶的序列特征,推断其结构与NiFe_氢酶和Fe_氢酶之间存在较大差异。对氢酶活性中心和[Fe_S]簇的深入研究,揭示了氢酶催化反应的机理。     

不同固氮条件下蓝藻氢酶活性的研究

一般认为仅是原核生物才具有的氢酶,在一系列的光合和非光合固氮生物中也相继被发现。它在这些生物机体中执行着除固氮酶和可逆性氢酶(reversible hydrogenase)放氢以外的催化氢代谢的功能,并能回收固氮酶放氢中失去的氢,提高固氮效率,从而和     

蓝细菌红萍鱼腥藻的两种固氮酶系统的放氢特点

已知在固氮生物中,固氮酶在催化氮还原为按的过程中,同时还原H+成为H2,所生成的H2部分为固氮生物体内的氢酶回收再利用,部分放出体外.显然,催化放H2作用也是固氮酶的重要特性之一.       

产甲烷古菌铁氢酶研究进展

根据活性中心金属原子的不同,氢酶主要分为镍铁、铁铁、铁氢酶三大类。铁氢酶是发现较晚、存在物种单一且结构较为特殊的一类氢酶。目前,铁氢酶仅发现于氢营养型产甲烷古菌中。该酶直接催化氢气异裂,还原产甲烷代谢途径中一碳载体四氢蝶呤的次甲基转化为亚甲基。与其他两类氢酶相比,铁氢酶不含传递电子的铁硫簇和双金属活性中心,在结构组成上有较大的差异。此外,铁氢酶活性中心的吡啶环被高度取代,活性中心铁原子直接与酰基碳成键,这些奇特的活性分子结构预示着氢酶全新的催化机制,以及古菌细胞在合成特殊结构大分子方面的特殊功能。本文总结了从1990年发现这类新型氢酶以来的相关研究,分别从氢酶的生理功能、结构特征、催化机制、成熟过程及应用研究等方面阐述铁氢酶的研究进展。     

氢化酶重组表达研究进展

氢化酶催化最简单的氧化还原反应,但蛋白结构却非常复杂,对其蛋白结构和催化功能的研究牵动着生物制氢、光电产氢催化剂及氢能源电池等相关绿色能源产业的发展。氢化酶通常可逆地催化质子还原产氢的反应,对氧化还原电位非常敏感,催化活性中心易于被氧化失活,活性蛋白的分离提纯十分不易,使得对其催化机制的认识推进缓慢。为了获取更多的氢化酶活性蛋白,许多研究团队先后对氢化酶开展了大量的同源或异源重组表达研究,就这类研究工作进行了扼要的总结和分析。     

微生物产氢机理的研究进展

微生物可以利用工业废弃物产生氢气,其产氢机理可以分成两种:光合产氢和发酵产氢。前者利用光能,后者利用代谢过程中产生的电子,分解有机物产氢。氢酶是产氢过程中的关键酶,催化氢的氧化或质子的还原。氢酶主要有[NiFe]氢酶和[Fe]氢酶两种,具有不同的结构,但催化机理是相似的。本文主要综述产氢微生物的种类、微生物产氢代谢途径和关键酶催化机理,并展望微生物产氢研究的发展方向。     

氢酶与固氮酶在细菌光合固氮中的联系

研究了混养型光合细菌Rhodopseudomonas capsulata N-3 氢酶与固氮酶之间的联系,观察到:1.以苹果酸(30毫克分子)为碳源,谷氨酸(5毫克分子)为氮源,营光合异养生长的菌体由固氮酶催化释放出大量的分子氢,光合放氢的过程完全依赖于光和外加电子供体,NH_4~ 对这一过程有明显抑制作用。2.营光合异养生长的光合细菌具活跃的氢酶,是膜结合态,能以多种生理活性物质,如NADP,反丁烯二酸,硝酸盐,氧及一些氧化还原染料为受体,吸取分子氢,这一过程显著地被NH_4~ 所促进。3.氢酶催化分子氢,支持光合固氮活性,这一固氮活性对氧的酶感性显著下降。4.当有机底物浓度不足时,分子氢所支持的固氮活性更为有效,有机底物浓度处于过量时,分子氢不再支持固氮。5.乙炔对氢酶活性具不可逆的抑止作用,氢酶被抑止后,固氮酶所催化的光合放氢显著剧增。 基于上述结果,对氢酶和固氮酶在细菌光合固氮中相互联系及其对光合细菌光能异养和光能自养两种生长方式间的转换的可能作用进行了讨论。     

合成生物催化中关键科学问题的研究进展

合成生物催化以多酶催化为特征,通过灵活选择不同功能的酶和反应路线设计,可以实现复杂生物基化学品的合成,在反应效率、原子经济性和环境友好方面有着不可替代性。但是其还存在两个关键科学问题:(1)氧化还原酶催化过程中辅酶的循环再生和重复利用;(2)酶在非水相和油水两相反应体系中如何实现稳定。以CO_2合成生物甲醇和天然油脂制备生物聚氨酯材料这两个具有代表性的多酶催化过程为例,介绍了合成生物催化关键科学问题的研究进展。其中,新型纳米材料与生物技术相结合在解决催化体系中辅酶再生、多酶协同以及酶的界面稳定方面有着广阔的发展前景。     

生物过程酶反应及产品技术研究

生物过程酶反应技术具有催化效率高、环境友好等优点,发展势头迅猛,得到了越来越广泛的应用。综述了近年来单酶催化、多酶催化、化学酶法耦合催化,以及酶的混沌催化等方面的研究现状、重大突破及其在重要医药化工产品合成方面的应用,并对其发展趋势进行了展望。     

高等植物氢化酶活性研究进展

氢化酶作为一种可催化氢气氧化与质子还原的金属酶,在生物体的氢代谢过程中发挥着关键作用。已有研究表明,氢气干预可对植物的生长发育和抗逆性产生积极影响,同时一些高等植物的内源性产氢现象也已得到证实,然而关于催化内源性产氢的氢化酶目前了解较少。虽然已有多项研究表明,叶绿体可能是高等植物产氢的关键部位,但是鉴于多种植物在种子萌发时仍然可以产氢,而种子萌发过程中叶绿体还没有生成,加上氢化酶在进化上与线粒体复合物Ⅰ具有同源性,在对氢化酶研究现状进行概述的基础上,提出了高等植物线粒体具有氢化酶活性的猜想,并总结了线粒体存在氢化酶活性的初步实验证据,以期为后续线粒体与氢化酶的关系研究提供参考依据。     

蓝藻Hox氢酶催化产氢的调控

蓝藻是唯一能通过光合作用产生清洁可再生燃料氢气的原核微生物。一些蓝藻具有催化产氢活性的镍-铁Hox氢酶(双向氢酶), 由于其巨大的应用潜力受到广泛的关注。但Hox氢酶在蓝藻产氢过程中调控途径尚不清楚。本文对蓝藻Hox氢酶的结构、生态分布和表达调控的研究进展进行了总结。简单介绍了作者近来对模式蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803 hox操纵子中两个未知功能基因ssl2420和sll1225的研究结果。     

微囊载体固定化多酶的研究进展

多酶催化是利用多种生物酶构建反应体系或网络,在生物体外实现化学品的合成.在生物制造过程中,多酶的共固定化有利于提高酶的稳定性和重复使用率,更利于多酶间的协同催化.在精准调控下,多酶固定化载体的微囊材料有望实现多酶协同催化性能的最大化.本文中,笔者分析了微囊体系的特点,综述了微囊材料及其固定化多酶的优缺点,总结了微囊多酶...     

RNA的生物催化功能及其研究进展

长期以来,我们一直认为生命过程中的所有化学反应是在生物催化剂——酶的作用下进行的,而所有的酶都是蛋白质或带有辅基的蛋白质。但近年研究发现,某些RNA分子也具有“酶”的生物催化功能,它们能在一定条件下催化自身或其它RNA分子发生化学反应。Cech(1981,1986)据此提出了RNA生物催化剂的概念,将这些具有酶活性的RNA称之为核酶(ribozyme)。本文简要介绍几种RNA分子的生物催化功能及其研究进展。     

浑球红假单胞菌在暗处发酵生长时的固氮酶、吸氢酶以及放氢机制的研究

光合细菌浑球红假单胞菌(Rhodopesudomonas sphaeroides)能在黑暗厌氧条件下生长。首次发现发酵生长的浑球红假单胞菌有固氮酶和吸氧酶的活性。试验比较了在光营养、黑暗厌氧呼吸和好氧呼吸生长方式下该菌的放氢作用,认为黑暗厌氧呼吸过程中的放氢是氢酶催化的放氢。     

纳米生物催化的研究现状和发展态势

纳米生物催化领域包括:(ⅰ)利用纳米技术或纳米材料调控生物催化剂的效率;(ⅱ)直接利用纳米材料或技术实现生物催化功能,并拓展生物催化在非友好环境及疾病诊疗中的应用.纳米生物催化已成为纳米生物学重要的研究领域,主要涉及纳米载体固定化酶和纳米材料人工模拟酶(纳米酶).一方面,可以借助纳米技术或材料所具有的特殊纳米效应来增强生物催化剂的效率和稳定性.另一方面,从模拟酶的理念出发,借助纳米材料自身所具有的催化能力,直接实现对生化反应的催化,这类具有酶学特性的纳米酶被视为新一代人工模拟酶.近年来,基于纳米载体固定化酶和纳米酶技术的纳米生物催化已在疾病诊断和治疗、化工制药、环境处理等领域得到了广泛研究,并展示了其具有重要的应用价值.本文简要综述了纳米载体固定化酶和纳米酶的发展历程及应用进展.     

酶及其生物催化技术的研究与应用

与传统化学催化工艺相比,基于酶的生物催化工艺具有反应条件温和、环境友好、操作简便、立体选择性优良等优势。当前已有多个生物催化工艺应用于生产精细大宗化学品和高附加值医药中间体,此外在食品、化妆品等领域也有广泛的应用。主要综述了酶及其生物催化技术的研究进展,包括酶序的构建、酶的定向进化,以及酶与生物催化技术在大宗化学品、医药中间体、食品、化妆品、纺织以及纸浆造纸工业中的应用。     

深海热液区化能自养菌Caminibacter profundus氢酶及其对H2的响应特点

化能自养菌中的氢酶在深海热液区生态系统的物质和能量转化中具有重要作用。以Caminibacter profundus为研究对象,通过设计PCR引物,克隆编码膜结合的类型I NiFe-氢酶大亚基基因序列hynL并进行生物信息学分析;研究hynL相对表达、甲基紫晶(MV)还原氢酶活性以及菌株生长对H2浓度变化的响应特点。结果表明,从C.profundus克隆获得864 bp的hynL基因片段,其编码的氨基端序列与Lebetimonas acidiphila的相似性为99%,与热液区化能自养的Epsilonproteobacteria D类群的类型I NiFe氢酶大亚基属同一分支。hynL相对表达量和MV还原的氢酶活性分别于12 h和24 h达到最高,此时菌体处于指数生长期;hynL相对表达量和MV还原的氢酶活性和菌株生长的最适H2浓度均为60%。提示C.profundus通过调控hynL的表达,响应环境中H2浓度的变化,以影响菌株能量代谢的催化过程和生长繁殖。     

电-氢-糖循环的新能源体系研究进展

发展绿色低碳的可再生能源体系已经成为重要的国际共识和方向,也是我国践行“双碳”目标、保障能源安全、走社会可持续发展的必要路径。本文聚焦电-氢-糖(electricity-hydrogen-carbohydrate, EHC)循环的新能源理论体系,重点综述了中国科学院天津工业生物技术研究所10余年来在基于体外多酶催化系统(in vitro synthetic enzymatic biosystem, ivSEB)的糖与水反应制氢、糖完全氧化产电,以及氢或电能固定CO₂到糖的生物转化方面所做的工作,阐述体外多酶催化系统的设计原则、分子基础,并从电-氢-糖循环进一步延伸出以糖(淀粉)为核心的体外合成生物制造,结合最新相关研究进展,分析讨论体外多酶催化体系的特色和优缺点,并展望未来发展方向,促进经济和社会的绿色低碳可持续发展。     

光合细菌Chromatium vinosum可溶性氢酶的分离提纯及特性

光合细菌 Chromatium vinosum可溶性氢酶经 4次柱层析 (Whatman DE- 52 ,TSK- DEAE,Ultragel Ac A- 44 ,Mono Q)分离提纯后被纯化 630倍 ,得率为 33.5% .可溶性氢酶催化放氢比活性为 7.5μmol· min-1· mg-1.SDS- PAGE结果显示 ,可溶性氢酶由 52 k D和 2 1 .5k D两个亚基组成 .大亚基 N端氨基酸序列为 :SRTITIEPVTRXEGHAR;小亚基 N端氨基酸序列为 :STQPKIT-VATXLDG.氧化态可溶性氢酶在 54K时产生了典型的 Ni( )电子顺磁共振 (EPR)信号 (gxyz=2 .37、2 .1 6、2 .0 1 6和 gxyz=2 .30、2 .2 3、2 .0 1 6) .研究结果表明 ,C.vinosum可溶性氢酶是一种新的催化放氢的 Ni Fe-氢酶 .     

作为人造极端酶的交联酶晶体

作为人造极端酶的交联酶晶体林影卢荣德郭勇（华南理工大学生物工程系,广州５１０６４０关键词交联酶晶体极端酶酶作为生物催化剂,催化效率高,立体选择性和底物专一性强,是普通化学催化剂所不可比拟的。然而,在酶的应用过程中还有很多令人不满意之处,如在环境中常常...