甲烷单加氧酶的研究进展

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1、甲烷单加氧酶催化机理的研究进展摘要：甲烷单加氧酶是甲烷营养细菌代谢过程中的重要酶系，同时也是一类能够很好地催化底物分子单加氧反应的生物催化剂，在工业应用、医药和环境治理方面有着广泛的应用前景。文章综述了近年来在甲烷单加氧酶催化机理方面的研究，着重阐述了含非血红素双铁核的结构及活化氧分子和底物的机理。关键词：甲烷单加氧酶；活性中心；催化机理加氧酶：催化分于氧的氧原子与底物结合的氧化反应酶的总称，属于氧化还原酶类。梅森等（H．S．Masonetal，1955）用18O2示踪，根据18O结合于其氧化生成物而发现的，可分成氧分子的双原子氧与底物结合的加二氧酶（dioxygenase）和仅结合一原子

2、氧，且必需有对另一原子氧的氢供体（NADPH等）的单加氧酶（monooxygenase）。后者亦称混合功能加氧酶（mixed－functionoxygenase）或羟化酶。甲烷单加氧酶：甲烷单加氧酶（methanemonooxygenase，MMO）是一类含有双核铁活性中心的非血红素蛋白酶[1]，是甲烷营养细菌（methanotrophicbacteria）代谢过程中产生的重要酶系，也是自然界中为数不多的能够同时活化分子氧和小分子烃的酶系之一[2-4]。MMO能断裂非常稳定的C-H键，将分子氧中的一个氧原子插入C-H中，另一个氧原子则生成水。反应过程见下式：CH4+NADH+H＋＋O2CH

3、3OH+NAD＋＋H2OMMO催化烷烃发生单加氧反应生成相应的醇的过程与其他单加氧酶如细胞色素P450很类似，但在所有的单加氧酶中，只有MMO能催化非常稳定的甲烷有效氧化生成甲醇，而这个反应在催化化学上是难以实现的。甲醇作为一种清洁的汽油替代品，是C1化学重要的原料。目前，天然气作为甲烷的主要来源，一般是通过水蒸气重整法制成合成气，然后再进一步深度开发。此法存在投资大、设备复杂、能耗高、选择性差的缺点，且产品不宜直接用来合成甲醇和其他烃类[5]。如果能够使用酶直接催化甲烷生成甲醇，就具有速度快、选择性高、条件温和等优点，对于深度开发天然气资源，解决世界能源危机有着深远的影响。除了催化甲烷进

4、行单加氧反应外，MMO还有着非常广泛的底物谱，包括：C8以下的饱和的、不饱和的、线状的、分枝的、芳香族的、环状的和卤化的烃类。反应生成的产物有：醇类、环氧化物、苯酚等[6]。其中MMO催化烯烃进行环氧化反应生成环氧化物是化学合成制药工业的重要中间体，催化卤代烃类和芳烃类的氧化在环境污染的控制中具有潜在的应用价值。目前研究表明，MMO还能降解污水中的致癌物质N-亚硝基二甲胺[7]。MMO的这些特性使其受到了极大地关注，对其催化机理的研究也成了国际上引人注目的前沿领域。1.MMO简介：在甲烷营养细菌中，存在可溶性甲烷单加氧酶（solubleMMO，sMMO）和颗粒性甲烷单加氧酶（particu

5、lateMMO，pMMO）。基本上所有的甲烷营养菌中都含有pMMO，一般存在于细胞膜上，但是由于pMMO难以纯化和不稳定性，目前对其了解还不多。目前研究得比较深入的是来源于Methylococcuscapsulatus（Bath）和MethylosinustrichospriumOB3b两个菌株的sMMO。sMMO是一种三组分的复合酶体系。三组分蛋白分别是羟基化酶MMOH，还原酶MMOR和蛋白调节酶MMOB。双核铁活性中心一般以三种形式存在，氧化态：FeIIIFeIII，混合态：FeIIIFeII和还原态：FeIIFeII[2]。氧化态和还原态的MMOH的结构如图1所示。由图1可以看出，氧

6、化态的MMOH的两个FeIII是通过1个羟基、1个双齿的谷氨酸和1个水分子的外源桥构成的三重桥彼此联接。还原态的MMOH中两个FeIII少一个羟基桥。MMOH中的铁离子是以μ-氧桥连接的双铁金属簇的形式存在。还原态和混合态的MMOH能与底物、分子氧结合，并使之活化，如还原态的MMOH单独存在时能够催化丙烯的环氧化反应[8]。在催化过程中，MMOH被不断地氧化，当其完全转化为氧化态后就不再有催化活性，只有得到MMOR辅助，才能使之还原恢复活性。2MMO的作用机理：对MMO结构的了解，给深入研究MMO的催化机制提供了良好的开端。MMO的催化反应过程中，三个亚基的作用是不同的，MMOH是MMO的

7、催化活性单元；MMOR接受NADH的电子，并将电子传递到MMOH；MMOB在MMOH和MMOR之间的电子传递中起到调节作用；而NADH在催化过程中作为MMO的电子给体，每转化一分子底物需要消耗一分子NADH[9]。2.1MMOH的催化机理：如图2所示，MMOH中含有的氧化态双核铁活性中心在催化反应过程中首先接受NADH的两个电子成为还原态，然后还原态MMOH与氧分子反应，经过两个中间体O、P（过氧桥连MMOH），最终形成