化学识别诱导的氧化还原酶定向固定及直接电子转移

Electron transfer (ET) in redox enzymes, including reodx proteins plays a key role in many biological processes, such as respiration and photosynthesis. Furthermore， direct ET of enzyme between contacts is also of great interest for bioelectrocatalysis, bioelectronics, biosensors and, more recently, in nanobiotechnology. Oriented immobilization of redox enzymes at an electrode surface with keeping the native conformation and an achievement of their direct ET is an important fundamental issue, which is still remained to be unsolved. This project develops a new concept to achieve both the oriented immobilization and to enhance the direct ET rate of redox enzymes. This approach is based on the recognition chemistry by which a recognition group enters the active pocket of redox enzyme and recognizes and replaces a labile ligand (usually is H2O) of the redox center of a metalloenzyme. Because the recognition group is immobilized on the electrode surface, the active pocket of the immobilized redox enzyme faces directly to the electrode surface, and therefore, the direct ET rate can be greatly enhanced. This project selects three different type redox enzymes, namely horadish peroxidase (HRP, a representative of heme iron-containing redox enzyme), 2,3-dihydroxylbiphenyl dioxygenase (DHBD, a representative of nonheme iron-containing redox enzyme), and galactose oxidase (GOase, a representative of Cu-containing redox enzyme) for its study. Using electrochemical approaches in combination with spectroscopic techniques and theoretical calculations to study the oriented immobilization of redox enzymes induced by recognition chemistry, to characterize the conformation of the immobilized redox enzymes, and to elucidate the mechanism of the direct ET and the electrocatalysis toward the substrate. The results obtained from the study of the project are in favor of understanding the energy conversion, elucidating the the role of the redox enzymes in the biological system, and explaining some important biological processes in the molecular level. Moreover, the results are also significance in developing the novel bioelectronic devices and exploring the applications of the enzyme-related catalyst in new fields.

氧化还原酶（包括氧化还原蛋白质）的电子转移过程不仅在许多重要生理过程（如呼吸作用、光合作用等）中起重要作用，而且还与生物电催化、生物电子学以及纳米生物技术等密切相关。如何实现酶的定向固定及直接电子转移并保持原有的构象仍是一个未解决的基础性问题。本项目提出化学识别诱导的氧化还原酶在电极表面的定向固定（这里指酶活性口袋朝着电极表面方向的固定）并阐明它们的直接电子转移特性与机制。以辣根过氧化物酶、2,3-二羟基双苯基双加氧酶及半乳糖氧化酶为对象，以电化学方法为手段，结合光谱技术及理论计算研究并阐明化学识别诱导氧化还原酶定向固定的条件及影响因素；研究定向固定酶的活性与结构；研究定向固定酶的直接电子转移及催化特性与机制。本项目的研究结果不仅有助于深入理解氧化还原酶在生命体系中的电子转移机制及从分子水平上解释一些重要的生理过程，还可为开发新型生物电子器件及探索酶催化剂新的应用领域等提供理论基础。

本项目以电化学方法为手段，结合光谱技术及理论计算研究化学识别诱导氧化还原酶定向固定的条件及影响因素；研究定向固定酶的活性与结构；研究定向固定酶的直接电子转移及催化特性与机制。研究结果不仅有助于深入理解氧化还原酶在生命体系中的电子转移机制及从分子水平上解释一些重要的生理过程，还可为开发新型生物电子器件及探索酶催化剂新的应用领域等提供理论基础。主要研究结果如下：.1、识别分子的设计. 设计了几种含‒COOH基团的长链分子用于取代酶中心金属离子的H2O配体，并用量子化学密度泛函方法计算了所设计分子的链长、识别功能团的大小等特征参数；研究了这些合成的长链分子与氧化还原酶活性口袋相匹配的程度。.2、蛋白质微环境的变化. （1）5-氟尿嘧啶（FU）与人血清白蛋白（HSA）的作用微环境机制：阐明了FU与HSA的作用方式、作用位点以及作用过程中Trp214周围微环境的改变；FU只能与HSA分子的IIA域作用，于Trp214附近，改变Trp214周围的微环境，使Trp214周围的疏水性能增加。. （2）Zn‒酞箐衍生物（ZnPCs）与蛋白质作用位点：阐明了ZnPCs与HSA的作用方式、作用位点以及作用过程中Trp214氨基酸周围微环境的改变。表明，ZnPCs与HSA作用后，Trp214氨基酸周围的疏水性增加，并且破坏了Trp214氨基酸与周围一些氨基酸之间的氢键作用。.3、基本环境对蛋白质构象及电子转移性能. 研究表明在酸性或碱性溶液中Mb的二级结构及Heme中心周围的环境发生的变化，强酸性及强碱性能使与Fe共价链接的His93发生了断裂，Heme从Mb分子的疏水口袋中脱落，暴露在溶剂中，进而影响MB的电子转移性能。.4、纳米材料晶面对蛋白质电子转移性能的的影响. 研究了乳糖氧化酶在Au(110), (100)和(111)表面的吸附，测定了乳糖氧化酶在不同晶面吸附后，其催化乳糖氧化的特征动力学常数。发现吸附后均使乳糖.氧化酶的电子转移性能及催化活性降低，但不同的晶面对乳糖氧化酶电子转移性能及催化性能的影响不同，以（111）面的影响最大。光谱研究的结果表明，这种变化是由于乳糖氧化酶分子中的Trp和Tyr氨基酸的微环境发生了变化，进而导致蛋白质的二级结构发生了变化。