矿物电子能量协同微生物胞外电子传递与生长代谢

微生物的电子传递过程在生命进化和生物地球化学循环中发挥着关键作用。近年来,随着微生物电子传递研究的深入开展,微生物纳米导线、导电生物被膜及种间电子传递等多种新型的微生物胞外电子传递机制不断被发现,微生物电子传递的距离也从纳米级拓展至厘米级。这些微生物的长距离电子传递过程环环相扣、相互协同,从而构成长距离电子传递网络,并在物质循环和能量转化中共同发挥作用。微生物长距离电子传递网络的结构功能及其调控机制已成为多个学科共同关注的焦点。本文以电子传递的距离为主线,对不同尺度的微生物长距离电子传递过程及网络研究的新进展进行综述,包括纳米尺度的电子传递网络（周质空间和外膜表层）、微米至毫米尺度的电子传递网络（纳米导线、细胞间电子和导电生物被膜）、厘米尺度的电子传递网络（电缆细菌）等,并分析了该研究现存的主要问题和下一步的发展方向,以期为进一步推进微生物长距离电子传递网络理论和应用研究提供科学参考。     

基于细胞色素c的胞外电子传递过程

电活性微生物具有独特的胞外电子传递功能,在地球化学循环和环境污染修复中起着重要作用。细胞色素c在电活性微生物胞外电子传递过程中扮演了重要角色,不仅参与直接电子传递途径,还参与电子媒介介导的间接电子传递。其电子传递功能不仅对地球环境中铁、锰、碳等元素的循环具有重要作用,还应用于能源生产、废水处理、生物修复等众多领域,具有良好的应用潜力。本文以电活性微生物的2个模式菌属(希瓦氏菌属和地杆菌属)为例,综述了电活性微生物将电子由胞内转移至胞外的方式和途径,详细阐述了细胞色素c在该胞外电子传递过程中的重要作用,总结了细胞色素c介导的胞外电子传递过程所涉及的分析方法,并对微生物胞外电子传递未来的研究方向提出了展望。     

微生物种间直接电子传递机理及应用研究进展

微生物胞内产生的电子转移到其他电子受体而获得能量的过程称为微生物胞外电子传递,其中,另一微生物作为电子受体时发生的电子传递称为微生物种间电子传递。根据微生物种间电子传递机制,可分间接种间电子传递和种间直接电子传递。由于种间直接电子传递不需要其他物质介导,因此较间接种间电子传递效率更高、能量利用更高。本文系统阐述了微生物进行胞外电子传递的机理及应用,重点分析了种间直接电子传递机理,并概述种间直接电子传递应用领域,为寻找更多电连接的微生物群落以及应用微生物提供参考。     

线粒体电子传递系统的组装及其生物学意义

电子传递链亦称呼吸链,由位于线粒体内膜的I、II、III、IV 4种复合物组成,负责电子传递和产生质子梯度。电子主要从复合物I进入电子传递链,经复合物III传递至复合物IV。电子传递系统的组装是一个十分复杂的过程,目前已知主要有约69个结构亚基以及至少16个组装因子参与了人类复合物I、III、IV的组装,这些蛋白质由核基因组与线粒体基因组共同编码。对线粒体电子传递系统的蛋白质组成及其结构已研究得较为清楚,但对它们的组装了解得还比较初步。许多人类线粒体疾病是由于电子传递系统的功能障碍引起的,其中又有许多是由于该系统中一个或多个部件的错误组装引起的。研究这些缺陷不仅能够加深对线粒体疾病发病机理的了解,也有助于揭示线粒体功能的调控机制。将着重对电子传递系统复合物的组装及其与人类疾病关系的研究进展进行综述。     

微生物种间电子传递的研究进展

种间电子传递可促进微生物发生共代谢,因而在地球生物化学循环和环境污染修复中具有重要意义。根据电子传递方式的不同可将种间电子传递分为直接种间电子传递（direct interspecies electron transfer,DIET）和间接种间电子传递（mediated interspecies electron transfer,MIET）,其中,直接种间电子传递由于易发生、效率高而受到更加广泛的关注。本文总结了近年来关于种间电子传递的研究进展,阐述了种间电子传递的途径,比较了DIET和MIET的优缺点,并对开发更多具有种间电子传递功能的微生物提出了建议,以期加深人们对于种间电子传递的理解,并对未来该领域的研究提供参考。     

互营氧化产甲烷微生物种间电子传递研究进展

甲烷是重要的温室气体,也是典型的可再生性生物质能源。目前约70%的大气甲烷排放来源于产甲烷微生物过程。在产甲烷环境中,产甲烷菌与互营细菌形成互营关系,从而克服有机质厌氧分解反应的热力学能垒,实现短链脂肪酸和醇类物质的互营氧化产甲烷过程。该过程中,种间电子传递是关键步骤。本文首先概述了甲烷的研究意义及微生物互营降解有机质产甲烷的过程,然后分别综述了种间H2转移、种间甲酸转移和种间直接电子传递这3种种间电子传递机制的起源、发展、研究现状和未来所需要解决的研究问题。     

微生物胞外电子传递过程及其应用研究进展

电活性微生物的胞外电子传递在微生物电合成、矿物生物浸出、生物质能回收及污染物原位修复等方面表现出广阔的应用前景,因而受到研究者们的广泛关注。现综述近年来电活性微生物胞外电子传递过程及其应用的相关研究成果,指出该领域面临的主要问题和发展方向。未来应加强微生物胞外电子传递路径及分子机制等方面的研究,分离筛选更高效的电活性菌种,优化反应器工艺设计,拓宽电活性微生物的应用领域,提高相应设备的效率。     

产电微生物基因调控网络的构建和特异性通路分析

研究产电微生物胞外电子传递过程和机制,发现与产电效率相关的关键基因、通路和代谢物,是微生物燃料电池研究中的关键技术。为了发现在胞外电子传递过程中起到关键作用的基因以及通路,首先利用比较基因组学的方法,以模式微生物大肠杆菌和同属希瓦氏菌的其他菌株为参考,构建了Shewanella.onedensis MR-1的全基因组基因转录调控网络,大大扩展了目前已知的基因调控关系。然后以此网络为基础,结合基于蛋白质相互作用分析得到的胞外电子传递通路,构建了与胞外电子传递直接传递密切相关的细胞色素C编码基因及其相关调控基因构成的子网络,结合全基因组基因表达数据,研究了特异性条件下胞外电子传递的可能通路和基因调控过程。     

条锈病对小麦(Triticum aestivum L.)叶片光合功能及光合功能蛋白D1表达的影响

测定了小麦(Triticum aestivum L.)感染小麦条锈病后的光合常数,以及叶绿素含量、类囊体膜光合电子传递速率和光合反应中心D1蛋白的变化.实验显示,条锈病侵染导致感病小麦叶片净光合速率与叶绿素含量降低;抗病小麦经侵染后净光合速率却有恢复过程,叶绿素含量先降后升.此外,感病小麦叶片被侵染后全链电子传递速率受到抑制,PSII电子传递速率的变化与全链电子传递速率的变化趋势相似,但PSI电子传递速率受到的影响较小;抗病小麦小麦叶片被侵染后电子传递速率所受影响较小.同时发现,病程中,感病和抗病小麦PSII的光合反应中心D1蛋白含量变化总是与PSII电子传递速率的变化类似,推测D1蛋白的表达量变化是引起PSII电子传递活性与全链电子传递速率变化的主要因素之一.     

条锈病对小麦（Triticum aestivum L.）叶片光合功能及光合功能蛋白D1表达的影响

测定了小麦（Triticum aestivum L.）感染小麦条锈病后的光合常数,以及叶绿素含量、类囊体膜光合电子传递速率和光合反应中心D1蛋白的变化。实验显示,条锈病侵染导致感病小麦叶片净光合速率与叶绿素含量降低;抗病小麦经侵染后净光合速率却有恢复过程,叶绿素含量先降后升。此外,感病小麦叶片被侵染后全链电子传递速率受到抑制,PSII电子传递速率的变化与全链电子传递速率的变化趋势相似,但PSI电子传递速率受到的影响较小;抗病小麦小麦叶片被侵染后电子传递速率所受影响较小。同时发现,病程中,感病和抗病小麦PSII的光合反应中心D1蛋白含量变化总是与PSII电子传递速率的变化类似,推测D1蛋白的表达量变化是引起PSII电子传递活性与全链电子传递速率变化的主要因素之一。     

还原型二(三)磷酸吡啶核苷酸[NAD(P)H]脱氢酶复合体及叶绿体呼吸研究进展

除了经过光系统II和光系统I的非循环电子传递以外,围绕光系统I的循环电子传递对维持高效率的光合作用也是不可缺少的,其中叶绿体还原型二(三)磷酸吡啶核苷酸[NAD(P)H]脱氢酶复合体(NDH复合体)介导的循环电子传递是目前研究的热点。随着质体末端氧化酶(PTOX)的发现,NDH参与的循环电子传递与叶绿体呼吸在补充光合作用所需能量以及抵御光氧化胁迫过程中的作用正日渐引起研究者的重视。文章根据近年的研究进展就叶绿体NDH复合体及其介导的循环电子传递与叶绿体呼吸的生理功能做了综述。     

光合作用光能转换过程中与耗能代谢有关的光保护机制(综述)

对近年来光合电子传递过程中各种耗能代谢（包括光呼吸、Ｍｅｈｌｅｒ反应、循环电子传递、硝酸还原代谢等）的运转对光合机构的保护作用作一简要综述。     

微生物互营产甲烷过程中的种间电子传递

甲烷作为全球第二大温室气体,是典型的可再生清洁能源,也是碳循环中的重要物质组成。大气中约74%的甲烷由产甲烷古菌和其他微生物的互营产生,种间电子传递(interspecies electron transfer, IET)是微生物菌群降低热力学能垒、实现互营产甲烷的核心过程。IET可分为间接种间电子传递(mediated interspecies electron transfer,MIET)和直接种间电子传递(direct interspecies electron transfer, DIET)两种类型,其中MIET依赖氢气、甲酸等载体完成电子的远距离传输,而DIET则依赖导电菌毛、细胞色素c等膜蛋白,通过微生物的直接接触实现电子传递。本文将从IET的研究历程出发,从电子传递机制、微生物种类、生态多样性等方面对微生物互营产甲烷过程中的两种IET类型进行比较,最后对未来待探索的方向进行展望。本综述有助于加深对微生物互营产甲烷过程中IET的理解,为解决由甲烷引发的全球气候变暖等生态问题提供理论支撑。     

亚心型四爿藻在CCCP作用下的光生物产氢的代谢途径

以添加CCCP(羰基氰化物间氯苯腙,Carbonyl cyanide m-chlorophenylhydrazone)的海洋绿藻亚心型四爿藻光生物制氢为研究体系,使用作用于光合系统不同位点的抑制剂研究该藻产氢过程不同时段的代谢途径。结果表明:四爿藻光生物产氢前期电子主要来自PS Ⅱ光解水以及胞内分解代谢,电子经由光合电子传递链传递至氢酶产生氢气;而后期释放的氢气则是通过不依赖光合电子传递链的发酵途径产生。产氢过程厌氧发酵代谢途径主要产物是乙酸、乙醇,其中乙醇代谢途径和氢酶竞争NAD(P)H,不利于氢气的积累。     

大鼠心肌细胞色素氧化酶光镜和电镜定位观察

细胞色素氧化酶是线粒体呼吸链中的终末氧化酶,在电子传递过程中起着重要作用。以往有关细胞色素氧化酶的生物化学研究,为了解该酶在组织细胞的分布和活性提供了定量资料。1968年,Seligman等建立了以3,3′-二     

紫细菌反应中心中的超快能量传递过程

利用飞秒泵探测技术研究了紫细菌光合反应中心RS601中的超快能量传递过程,通过选择激反应中心中的不同色素,观察到了以不同色素为起点发生在飞秒时域的超快能量传递过程,从细菌去镁叶绿素H到辅助细胞叶绿素B的能量传递发生在约130fs时间尺度,而通过激发色素B则观察到了从B到原始电子供体P的约240fs的超快能量传递,另外,P激发态的超快弛豫过程则说明其上、下激子能级间存在超快的内转换过程,通过对不同色素激发态的能量弛豫过程的分析,说明由原初电子供体H的电子传递过在几个皮秒时间内完成,其中辅助细菌叶绿素B为该电子传递过程中间态。     

P450酶系中高效电子传递链的构建及应用

细胞色素P450作为单加氧酶的主要成员,能够在多种化合物中引入氧分子,催化包括羟化在内的多种反应。在级联的氧化还原反应中,需特定的电子传递链将氧原子中的电子传递至P450单加氧酶的亚铁红素结构中,并最终催化底物氧化,而电子传递体系的低效性往往成为整个反应的限速步骤。本文在介绍P450单加氧酶电子传递链基本结构的基础上,着重阐述对于细胞色素P450酶系中电子传递链未知或者内源性电子传递效率较低的情况下,利用DNA重组技术构建高效的电子传递链从而提高P450单加氧酶的催化效率相关研究进展,主要从细菌及真核细胞线粒体电子传递链(ClassⅠ)及真核生物细胞色素C还原酶CPR(ClassⅡ),天然融合电子传递链及人工融合蛋白电子传递链的构建及其应用展开。     

紫细菌RS601DCPIPH2→MV电子传递的研究

紫色非硫细菌菌株Ｒｂ．ｓｐｈｅｒｏｉｄｅｓ６０１（ＲＳ６０１）的载色体具有典型的Ｒｂ．ｓｐｈａｅｒｏｉｄｅｓ光谱特性。在光照和以ＤＣＰＩＰＨ２为电子供体条件下,ＲＳ６０１载色体能够串联呼吸电子传递链而耗氧或还原ＭＶ而构成ＤＣＰＩＰＨ２→ＭＶ的非循环电子传递链。电子传递抑制剂ＯＰ抑制ＤＣＰＩＰＨ２→ＭＶ电子传递活性,其中Ｉ５０为１．０ｍｍｏｌ／Ｌ;抗霉素Ａ对该电子递影响较小,不存在Ｉ５０。ＬＤＨＸ,     

微生物种间直接电子传递研究进展

一直以来氢气和甲酸被认为是微生物间电子传递的中间电子传递体.近年来的研究发现,微生物之间可以通过种间直接电子传递(DIET)来替代氢气/甲酸传递.DIET作为一种新发现的微生物间电子传递途径,其电子传递效率要高于传统的种间氢气/甲酸传递.DIET这一新发现改变了微生物互营生长代谢必须依赖氢气或甲酸等电子载体的传统认识,...     

毛尖紫萼藓(Grimmia pilifera P.Beauv) PSII光化学效率对脱水和复水的响应

利用快速叶绿素荧光动力学技术研究了毛尖紫萼藓脱水和复水过程中叶绿素荧光变化,结果显示在脱水过程中毛尖紫萼藓PSⅡ的最大光化学效率（Fv/Fm）、光合机构电子传递的量子产额（ETo／ABS）、捕获的激子将电子传递到电子传递链中超过QA的其它电子受体的概率（ETo／TRo）、单位叶面积的反应中心的数量（RC／CSo）以及PSⅡ受体库（Area）对叶片含水量的响应等均存在相对含水量阈值。在阈值范围内脱水,对以上荧光参数影响不大,低于阈值后,各荧光参数值迅速下降,直至PSⅡ反应中心完全关闭以及光化学过程结束。再复水后,毛尖紫萼藓光合机构的最大捕光效率、实际光化学效率、PSⅡ反应中心受体侧的电子传递链以及反应中心均能得到快速而有效的恢复。表明一定时间内脱水不会对毛尖紫萼藓的光合器官造成严重伤害,光合系统仍维持在可恢复状态。