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酶被捕获并被破坏以供细胞外使用

文章作者:优博时时彩平台开户发布时间:2019-12-25浏览次数:1465

大自然精确控制每个细胞中的数千种化学反应。其中许多形成复杂的反应链,类似于多米诺骨牌下降线:当酶触发链的第一反应时,其他反应按顺序触发。这种类型的反应级联很难在生命系统之外重建。

即使使用与天然产生的催化剂相同的催化剂,当在试管中级联时通常也不可能实现自然发生的反应速率。写于Angewandte Chemie,Megarity等。 1报告了该问题的解决方案,模拟了一种促进效率的自然发生的策略:共催化剂的共定位。

酶催化反应的使用提供了使用常规催化剂的替代方案,并且可以大大增加化学方法的可持续性,安全性和成本。当在单个反应容器中顺序进行多个化学反应时,优点被放大,类似于在细胞中发生反应级联的方式。这些优势促使科学家设计出改进的酶促反应平台,尽管难以在细胞外重构多酶级联过程3。

生物反应通常需要电子穿梭到催化剂,使用在细胞中共定位的几种蛋白质和小分子载体。一些策略可以促进细胞中的这种电子穿梭,包括穿梭路径4中的伙伴之间的高亲和力相互作用的工程化。这种相互作用可以通过蛋白质 - 蛋白质界面5,通过酶活性位点6中的小分子的结合来实现,和通过分离单个细胞器内的反应物7.将这三种方法的组合用于细胞中以形成纳米级反应器,与在溶液8中自由发生的类似过程相比,该反应器加速反应。

Megarity等。设想通过在合成纳米反应器中的大量电子表面上捕获酶来模拟该自然过程,从而促进为生物催化反应提供动力所需的电子传输。与现有作者相同的研究人员之前已经报道过9种要求将铁氧化还原蛋白NADP +还原酶(FNR)紧密结合到由氧化铟锡(ITO)制成的电极的孔中。在自然系统中,FNR从称为铁氧还蛋白的蛋白质配偶体接收两个电子。电极和FNR之间的相互作用模拟了ferrodoxin-FNR蛋白质 - 蛋白质相互作用的静电相互作用。更具体地,电极的带负电荷的表面模拟带负电荷的铁氧还蛋白斑块,其与FNR的带正电荷的表面形成界面(图1a)。

FNR使用从铁氧还蛋白接收的电子来化学还原称为NADP +的小分子,这是一种充当电子穿梭器的辅助因子。然后,还原形式的辅因子NADPH可以将电子传递给级联中的下一个酶(图1a)。 ITO电极提供高度局部化的电子浓度,Megarity等。预期它们通过用纳米多孔ITO表面取代铁氧还蛋白来增强天然FNR系统,所述纳米多孔ITO表面捕获FNR以及在级联中执行最后步骤的伴侣酶(图1b)。

为了证明这一概念,作者首先确定FNR和第二种酶(醇脱氢酶; ADH)可以共同包裹在ITO电极的无序孔中。当FNR和ADH都被吸附到电极上并置于含有NADP +和ADH底物的溶液中时,作者观察到反应产物的形成。他们还观察到电流,其大小取决于存在的FNR的量,表明已经发生了FNR介导的电子穿梭。

Megarity等。发现含有酶的电极可以通过用水彻底冲洗然后将其插入反应基质的新鲜溶液中来重复使用。这不仅证明了它们的设置的稳健性,而且还表明FNR和ADH都紧密地结合在电极孔内。相反,作者发现大多数NADP +不会留在孔隙中,必须加入到反应溶液中以恢复高反应速率。

作者的系统简化了电子传输,并通过级联电子到FNR加速了辅因子再生的速率。研究人员估计,对于井中的每种催化组分,这种纳米精制策略导致局部浓度为1.6 mmol(比溶液浓度高约1,000倍),这减少了辅助因子在FNR和ADH之间传播的需要。如果与距离相比纯粹在溶液中进行反应,则需要该距离。结果,产品形成的总体速率增加。 Megarity及其同事计算了反应中的每个“最小催化单位” - 反应所需的最少量的酶分子和辅助因子;在这种情况下,FNR,

令人鼓舞的是,作者表明,其他三种NADPH依赖性酶可以用于它们的系统而不是ADH来催化各种还原反应。这表明纳米精制方法可以在NADPH依赖性生物催化转化中具有广泛的应用 - 尽管观察到的每种酶的反应动力学是不同的。需要进一步的工作来定义由与该策略相容的非NADPH辅因子驱动的全范围的NADPH依赖性酶和酶。

例如,在作者系统中测试除FNR之外的还原酶将揭示多孔电极是否通常可用作电子穿梭途径中蛋白质的电子源,以及该策略是否可用于再循环除NADPH之外的辅因子。许多类型的酶依赖于电子转移,并且允许它们有效用于生物系统外的反应的一般策略可以显着改善该反应的可扩展性。它还可以促进电子供应伙伴不知道的酶的研究。

Megarity及其同事的工作探索了这两种酶的纳米细胞。还可以想到将额外的酶包装到电极孔中以提高更复杂的多酶级联的效率。因此,合成区室化系统的使用可用于酶促地产生简单的“商品”化学品和结构上复杂的分子,例如药剂,其在化学工业中大规模生产。

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