三苯基锡酶催化转化的量子特性和分子机制

The unique quantum property, molecular structure, biological effect, environmental behavior and ecological risk of triphenyltin (TPT) are due to its carbon-tin bond. However, the impact of TPT molecular characteristics on its enzymatic catalysis has not been revealed. To clarify some key chemical reaction mechanisms such as electron transfer and chemical bond breakage, and some fundamental enzymatic principles including TPT recognition and combination by enzyme involved in TPT biodegradation process, the present project will investigate TPT catalysis by enzyme P450 expressed by Bacillus thuringiensis through a series of methods conducted in quantum chemistry, enzymology, proteomics, genomics, bioinformatics, structure biology and atomic force microscopy. The function of the enzyme structure, activity center, side chain modification and rotation on TPT recognition and binding will be revealed. The mechanism of electron transfer, chemical bond breakage, reaction energy, and TPT degradation activation and regulation during TPT catalysis process will also be illustrated. The research results will clarify the quantum properties and molecular biological mechanisms of TPT biodegradation. Moreover, the study methods established in this project will accelerate the illustration of interaction between functional proteins and pollutants in electronic, atomic and molecular perspectives.

碳锡键赋予三苯基锡(TPT) 特有的量子特性、分子结构、生物效应、环境行为和生态风险。该特性对TPT酶催化的反应机制有待深入探究。为了阐明TPT酶催化过程涉及的电子转移、化学键断裂规律等关键的化学反应机理，以及降解酶对TPT的识别与结合等关键的酶学机制，本项目将采用量子化学、酶学、蛋白质组学、基因组学、生物信息学、结构生物学和原子力显微学相结合的方法，研究苏云金芽孢杆菌表达的降解酶P450对TPT的识别、结合和催化规律。从电子、原子和分子的多维角度，探明酶构象、活性中心、氨基酸残基侧链修饰与旋转行为在TPT识别和结合过程的作用，阐明TPT酶催化的电子转移规律、化学键断裂机制、反应能与控速反应原理、以及TPT降解启动与调控的酶学机制。研究成果有利于深入阐明有机锡微生物降解的量子特性和分子生物学机制；研究方法对从电子、原子和分子的角度分析污染物与功能蛋白质的相互作用具有借鉴作用。

碳锡键赋予三苯基锡特有的量子特性、分子结构、生物效应、环境行为和生态风险。该特性对三苯基锡酶催化的反应机制有待深入探究。为了阐明三苯基锡酶催化过程涉及的电子转移、化学键断裂规律等关键的化学反应机理，以及降解酶对三苯基锡的识别与结合等关键的酶学机制，本项目采用量子化学、酶学、蛋白质组学、基因组学、生物信息学、结构生物学和原子力显微学相结合的方法，研究苏云金芽孢杆菌表达的功能蛋白质对三苯基锡的识别、结合和催化规律。从电子、原子和分子的多维角度，探明酶构象、活性中心、氨基酸残基侧链修饰与旋转行为在三苯基锡识别和结合过程的作用，阐明三苯基锡酶催化的电子转移规律、化学键断裂机制、反应能与控速反应原理、以及三苯基锡降解启动与调控的酶学机制。结果表明，三苯基锡降解过程中菌体的生理生化反应是细胞蛋白网络的调节结果，且三苯基锡降解的关键在于功能蛋白与三苯基锡的识别。功能蛋白与三苯基锡的识别结合取决于特定氨基酸序列，而非蛋白高级结构。在识别和相互作用过程中，三苯基锡改变功能蛋白的分子量、等电点，诱导甲基化或去甲基化修饰，改变蛋白构象。三苯基锡降解过程会诱导丙酮酸及氨基酸代谢、能量代谢、糖酵解、磷酸戊糖途径、三羧酸循环、核糖体代谢、蛋白合成相关蛋白的上调。与三苯基锡直接作用的一级结构功能蛋白包括有氧化还原类蛋白电子转移黄素蛋白亚基和超氧化物歧化酶；细胞代谢调节蛋白：磷酸烯醇丙酮酸羧激酶、乌头酸水合酶、酮酸脱氢酶和生物素羧化酶；三苯基锡降解蛋白：烷基过氧化氢复原酶；抗性蛋白：亮氨酸脱氢酶。这些功能蛋白都与三苯基锡降解或细胞代谢相关，表明一级结构功能蛋白与三苯基锡的结合具有一定选择性。研究成果有利于深入阐明有机锡微生物降解的量子特性和分子生物学机制；研究方法对从电子、原子和分子的角度分析污染物与功能蛋白质的相互作用具有借鉴作用。