提出改进的二步ＡＴＰ驱动的电子传递机理，对还原剂和ＭｇＡＴＰ都充足或其中有一种不充足的情况下固氮酶体系的ＥＰＲ信号变化作了合理的解释

万惠霖

张鸿图

蔡启瑞

黄静伟

Xiamen University Institutional Repository

生物化学与生物物理进展 Pr o g.B io e he m.B io Ph ys.1 9 9 6 ; 2 3 (1 )s p e e ifie a lly.T h e e o一 e r y s t a i S t r u e tu r e o f T B P /T A T A一b o x e o m Ple x 15 in t r o d u e e d a n d it s r o leiri the in it ia tio n o f t r a n s e r lp t io n 15 d is e u s s e d.K ey w o r d s T B P,T A T A b o x, e o 一 e r ys ta ls t r u c t u r e,t r a n s c r lPt 1 0 n固氮酶中的电子传递‘黄静伟 张鸿图 万惠霖 蔡启瑞(厦门大学化学系,固体表面物理化学 国家重点实验室,厦门 3 6 10 0 5)摘要 提出改进的二步 A T P驱动的电子传递机理,对还原剂和 M g A T P 都充足或其中有一种不充足的情况下固氮酶体系的 E P R 信号变化作了合理的解释.关键词 固氮酶,A T P 驱动,E P R 信号,电子传递固氮酶是由 MoFe 蛋 白 (吸俘2四聚体,分子量约为 2 30 k u) 和 Fe 蛋 白 (Y,二聚体,分子量约为 65 k u) 两个组分构成.随着 NZ和其他外源底物络合到 Mo Fe 蛋白的活性中心,电子从还原剂经由 Fe 蛋 白传递到 Mo F e 蛋 白上,再由M o F e 蛋 白传递给底物,偶合着质子的传递,底物得到不同程度的还原.有关这一 电子传递过程的研究一直是固氮酶研究的一个中心 内容.本文提 出改进的二步 A T P 驱动的 电子传递机理,对还原剂 (S20 1一 ) 和 M g A T P 都充足或其中有一种不充足情况下固氮酶体系的 E PR 信号变化进行尝试性解释.1 改进机理的提出在 H ar d y 等 [1j 证明生 物固氮必须有 A T P参加之后,wa lk e r 和 M o r t e n s o n [, 〕在稀固氮菌一巴 氏芽 胞梭菌 (cl os trZ di u m Pa st eu ri-anu m,CP ) 酶溶液中观察到当还原剂 (520 专一)和 M g A T P 都充足时,少量的 Fe蛋白能还原分子 数 量大得 多 的 Mo Fe 蛋 白,使 得 85 % 的M o Fe 蛋白处在没有 E P R 信号的深度还原态,大部分 Fe 蛋白处于有 E PR 信号的还原态,大大降低了酶促活性.然而 S m ith 和 Lo w e川却在肺炎克 氏杆 菌 (犬le b s ie lla 户n e u m o n ia e,尺户)KP I:KPZ一 1: 1 的较浓 固氮酶溶液中观察到稳态酶周转时,90 %尺卢1 处于无 E P R 信号的还原态,而 70 肠的 尺乡2 是没有 E PR 信号的氧化态.为了很好地说明这些实验现象,C ai 等川根据配位化学和络合催化作用原理,提 出了二步 A T P 驱动 电子传递的固氮酶催化反应机理.最近,R e s 等川成功地解析了 Mo F e 蛋 白和 F e 蛋白单晶 X 射线衍射所得到的电子密度图,得到 MO Fe 蛋 白和 Fe蛋白的三维空间结构,指出 NZ和其他外源底物是络合在 固氮酶中的 M一簇合物 (蛋 白键合的 Fe M o一co fac tor ).M一簇合物是由 Mo S3F e3和 Fe S3F e3这二个缺口 的类立方烷型簇合物通过三个非蛋 白配体(二个硫和一个比硫轻的“Y”) 桥联而成.由于M一簇合物是深埋在 MO Fe 蛋白里,电子是由 Fe蛋 白先传递给处在 Mo F e 蛋白表层 的 P一簇合物 (P一簇合物是由两个 Fe 4S;簇合物通过二个半肤氨 酸的琉基配体桥联而成 ),再传递给M一簇合物.M g A T P 可 以 络合 到 Fe蛋 白或M o Fe 蛋白上 [6〕,但单独的 Fe 蛋白或 Mo F e 蛋白并不会使 M g A T P 发生水解,只有当络合着M g A T P 的 Fe 蛋 白与 Mo Fe 蛋白结合产生碱性基团时才能催化 M g A T P 的水解田.动力学研究 [sj 表明:A T P 水解发生在 Fe 蛋 白一M o F e蛋 白之间的电子传递之前.虽然 A T P 在 Fe蛋白上的具体键合位目前还未证实,但已知 A T P·国家基础性研究重大关键项目 (攀登计划 ) 资助课题.收稿 日期:2 9 9 4一1 2一2 0,修回 日期:19 95一0 9一0 41 9 9 6 ; 2 3 (1 ) 生物化学与生物物理进展 Pr o g.B io e h e m.B io Ph ys.络合到 Fe 蛋 白上会引起 Fe 蛋 白的构型和 氧化还原电位的变化,从而促进了 Fe 蛋 白和M o Fe 蛋白的结合仁9〕.基因突变研究[l0〕发现体外 Fe M o一co 的 生 物合成需要 有 Fe蛋 白和M g A T P,但 Fe 蛋白并不必发生由于 M g A T P络 合而诱发的 构 型变化,也不需要 一般 的M g A T P 水解及发生从 Fe 蛋 白到 Mo F e 蛋 白的电子传递.A T P 水解的数量与电子传递的关系进一步证实,M g A T P / 2e > 护‘〕.根据上述这些研究结果,我们提出了改进的二步 A T P 驱动的电子传递机理,如图 1 所示.1/ 2 场图 1 电子传递过程中固氮酶组分的氧化还原态和改进的二步 A T P驱动的电子传递机理2,:具有 E P R 信号的半还原态 Mo Fe 蛋白; 1o:没有EP R 信号的深度还原态 Mo F e 蛋白 ; 汤:具有 E PR 信号的还原态 Fe蛋白 ; 勿:没有 E PR 信号的氧化态 Fe蛋白; t : A T P ; d:A D P ; Pi:磷酸盐 ; R:还原剂;侧:表示充足供应 ; X:表示不充足供应; · 5 0 歹:表示含有 自由基的还原剂.2 改进的 A T P 驱动的电子传递机理2.1 第一步 A T P 驱动的电子传递天然分离的 Mo Fe 蛋 白和 Fe 蛋 白分别具有 E P R 信号的半还原态 (2: ) 和还原态 (乃 ).当 A T P 络合到 Fe蛋 白上时引起了 Fe 蛋 白构型和氧化还原电位的变化,促进了 Fe蛋白与M o Fe 蛋 白结合为 [ 15〕 [ 压」Zt.由于 Fe蛋 白和 M o F e 蛋 白结 合产 生 了碱性 物 种催化 了M g A T P 的水解,产生 A D P 和 Pi (无机磷酸盐 ),同时放出大量的能量克服了电子从 Fe 蛋白传递给 Mo F e 蛋白所需跃过的能垒,完成电子的传递,使 Mo Fe 蛋 白变成没有 E PR 信号的深度还原态,而 Fe 蛋白自己也变成无 E P R 信号的氧化态,即得到 「1。〕[勘]ZPi+’“ ,这样就完成 了 A T P 驱动的第一步 电子传递,如 图 1 中(1 ) ~ (2 ).2.2 第二步 A T P 驱动的电子传递从 Fe 蛋 白和 MO F e 蛋白结合物 的结构上看, Fe 蛋白的 Fe 4S、簇合物是被埋在 Fe 蛋 白和 M o F e 蛋白结合的界面上,要使没有 E P R 信号的氧化态 Fe 蛋 白被还原,Fe 蛋 白和 Mo Fe蛋 白的结合 物必 须 先解 离,产生 「1。〕[肠」2P, + “己.从动力学上来考虑,对于浓酶溶液,图 1 (3 ) 这一步是整个固氮酶电子传递过程的速率决定步骤,结果正如 S m it h 等图所观察的.在 A T P 充足的情况下,A T P 会与 A D P 进行交换,产生络合着 A T P 的没有 E PR 信号的氧化态 Fe 蛋 白.如果还原剂 (520 轰一) 也很充分,则氧化态的 Fe 蛋白会被继续还原成有 E PR 信号的还原态,使得深度还原态的 Mo Fe 蛋白和还原态 Fe 蛋 白缔合为「1口] [乃」Zt.对于稀酶溶液,图 1 (7 ) 是整个过程的速率决定步骤,该机理很好地说明了 Mor ten son等[23 在稀酶溶液中所观察到的实验结果.由于 A T P 和 Fe 蛋 白络合在 Mo F e 蛋 白上,使得 Mo F e 蛋白的构型发生变化,可能沟通了 Mo F e 蛋 白中 P一簇合物和M一簇合物之间的电子传递路径,促使电子传递给络合在 M一簇合物上的底物.如果还原剂(S20 荣一) 并不充分,则深度还原态的 Mo Fe 蛋白和氧化态 Fe蛋白也会缔合为 [ 1。] 〔为〕2‘ ,同样会促进电子传递给底物.这两个子过程,如图 1 的 (5 ) ~ (6 ) ~ (7 ) ~ (8 ) 或 (5 ) 一(1 0 ) ~ (1 5 ) ~ (1 6 ) 并不一定要求 A T P 发生水解,A T P 也可能是直接络合在 MO Fe 蛋白上 [l0 〕.对于 A T P 不充足的情况,可能会使得深度还原态的 Mo F e 蛋 白和络合着 A T P 的氧化态 Fe 蛋 白之间发生电子倒 流并发生 A T P 与.2 0·生物化学与生物物理进展 P r o g.B io e h e m.B io Phy s·1 9 9 6 ; 2 3 (1)A D P 的交换,见 图 l (1 1 ) 和 (1 2 ),产 生[ Is ] [ 2s ]2t 和 [ Is 」 [乃 ]Z d.随着电子传递的循环往复进行和质子连绵不断的提供,使底物得到不同程度的还原.参 考 文 献t io n: a e hie v e m e n t s a n d o b je e t iv e s.N e w Y o r k:C ha p m a na n d H a ll, 1 9 90:1 0 39 B u r g es sB K.In:S tie fel E l e d s.M o lyb d e n u m e n z ym es ,e o fa e to rs , a n d m o d el sy s t e rns .Wa s h in g t o n l义:A m e r ie a nCh e m ie a l Soeie t y , 1 9 9 3:1 441 0 G a v in i N,B u rg es s B K.J Bio l C he m,1 9 9 2 ; 2 6 7:2 1 1 7 91 1 O r m e一Jo h n s o n W H.Sc ie nc e,1 9 9 2 ; 25 7:1 6 3 9H a rd y R W F,D,E us t a e hio A J.B io eh e rn Bio p hy s R e sC o m m u n,1 9 6 4 ; 15: 3 14W a lk e r M,M o r t e n s o n L E.B io eh e m B io PhysR e sC o m m u n, 19 73 ; 5 4:6 6 9S m ith B E,L o w e D J,B r a y R C.B lo e h em J,1 9 7 3 ; 1 3 5:3 3 1C a i Q R,Zh a n g H B,L in G D.A d v a n e e in S e ie n e e o fC hin a,1 9 8 7 ; 2:12 5R e e s D C,K im J,G e o r g ia d is M M e t a l.In:S t iefe l E le d s.M o lyb d e n u m e nz y m es , e o fa e to r s, a n d m o d e l s y s-te m s.Wa sh in g t o n 〔减二:A m e r ie a n Ch e m ie al Soe ie ty,1 9 9 3:1 7 0B u r r is R H.In:G lb s o n A H e d s.C u r r e n t p e rs p e e t iv e s inn it r o g e n fix a t io n.A u s t r a lia:A u s t r a lia n A e a d e m y o fS e ie n e e,1 9 8 1:1 2 6Wo lle D,D 〔 a n D R,H o w a r d J B.Sc ie n e e , 1 9 9 2 ; 2 5 8:99 2T h o r n ele y R N F.In:G r e s sho ff P M e d s.N it r o g e n fix a-T h e E lee tr o n T ransP o r t in N itr o g en a se.H u a n gJin g w e i,Z h a n g H o n g t u,Wa n H u ilin,C a iQ ir u i (T s a i K u ir u i ) (刀‘户a r tm e n t of Che m-is t勺,S t a t e K卿 L a b o ra to勺 for P勺sic a lC h e m is t卿 of the S o lid S u rj 泛c e,X ia m e nU n iv ers ity,X ia m e n 3 6 1 0 0 5,C h in a ).A b s tr a e t A m o d ifie d m e e ha n ism o f Z一 s te P-A T P一d r iv e n ele e tr o n tr a n s Po r t 15 Pr o Po s e d,ite a n r e a s o n a b ly e x p la in th e eh a n g e o f E PRs ig n a l in th e tw o e o m p o n e n ts o f n it r o g e n a s ew h e n th e s u p p ly o f r e d u e t a n t (520 墓一 ) a n dM g A T P a r e e n o u g h o r o n ly o n e 15 e n o u g h.K e y w o r d s n it r o g e n a s e,A T P一d r iv e n,E P Rs ig n a l, e le e t r o n t r a n s p o r t昆虫病毒的增强蛋白胡 薇 黎路林 洪华珠(华中师范大学昆虫学研究所,武汉 4 3 0 0 7 0)摘要 在某些昆虫病毒的包涵体 中相继发现了增强蛋白.这类蛋白可以增强核型多角体病毒对昆虫幼虫及体外培养的昆虫细胞的感染力,缩短杀虫时间,提高杀虫效率 ; 还可以增强其他生物杀虫剂 (如:Bt ) 的毒力.关于增强蛋白的作用机制有两种观点:降解围食膜以利于病毒粒子侵染细胞或直接作用于细胞质膜促进病毒粒子的套膜与之融合.该蛋白是由病毒编码的,现已克隆出第一个增强蛋白基因,该基因含有一个 2 7 0 3 b p 的开放阅读框,其核昔酸序列分析业已完成.增强蛋白的发现有望对病毒杀虫剂的推广产生积极影响.关键词 杆状病毒,增强蛋白,增效作用在研究昆虫病毒感染性时,人们发现某些颗粒体病毒 (G Vs ) 含有增强蛋白 (e n ha n e in gPr ot ei n ),可以提高昆虫的敏感性,加速核型多角体病毒 (N PV ) 的感染进程 [l,2〕,而且这种蛋白还可以提高其他生物杀虫剂 (如:Bt a一内毒素 ) 的杀虫效率.近期的研究表明,不同 G Vs收稿 日期: 1 9 9 5一0 1一0 3,修回日期:1 9 95一0 5一1 3

固氮酶中的电子传递

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/55885/%e5%9b%ba%e6%b0%ae%e9%85%b6%e4%b8%ad%e7%9a%84%e7%94%b5%e5%ad%90%e4%bc%a0%e9%80%92.pdf?sequence=1&isAllowed=y

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