科学:巴斯甲烷燃料微生物的秘密

2018-01-27 01:03:06

作者:JOHN EMSLEY生活在巴斯温泉中的细菌通过将甲烷(CH4)转化为甲醇(CH3OH)来获得其碳和能量到目前为止,关于甲基球菌(巴斯)如何在45摄氏度下完成这一过程的秘密,一步到位,一直难以捉摸但现在美国化学家认为他们已经发现了这种机制由密歇根州韦恩州立大学的Martin Newcomb和麻省理工学院的Stephen Lippard领导的团队专注于负责反应的酶 - 甲烷单加氧酶他们给M. capulatus喂食了一种“机械探针” - 一种细菌可以消化的分子,因此变成可能揭示酶活性位点如何起作用的化合物化学家用作探针环丙烷 - 由三个碳原子排成环状的环状烃他们发现最有用的环丙烷称为反式-2-苯基甲基环丙烷纽科姆和他的同事发现,这种酶的作用不是像他们预期的那样将甲烷转化为自由基,而是通过提高其自身的氧化能力来自温泉的细菌使用水溶性甲烷单加氧酶引起关键反应:CH4 + O2 + 2H + + 2e-→CH3OH + H2电子(e-)和氢离子(H +)来自还原形式的辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸甲烷单加氧酶是由三种成分组成的蛋白质:羟基酶,其结合反应物甲烷和氧;一种提供电子的还原酶;和“耦合”蛋白质控制两者之间的电子转移还原酶组分含有两个铁和两个硫原子Fe2S2的簇,其中铁处于还原态铁(II)纽科姆和他的同事发现甲烷单加氧酶将反式-2-苯基甲基环丙烷转化为两种产物在一个实施方案中,甲基基团中加入了OH,实际上是甲醇的衍生物另一方面,OH与苯环连接 Newcomb和Lippard发现这两种产品的数量相等他们说这是因为反式-2-苯甲基环丙烷有两种异构体 - 左手和右手形式这两种异构体以不同的方式进入酶的活性位点,导致OH基团连接分子的不同部分化学家们期望观察到环丙烷环开环的产物,因为如果该机理经历了自由基阶段,就会发生这种情况在另一种消耗甲烷的细菌Pseudomonas oleovorans中,有证据表明存在自由基机制因此,预计甲烷单加氧酶应该以类似的方式起作用,通过从反式-2-苯基甲基环丙烷的甲基上取出氢原子以留下自由基这将通过分子重排来稳定自身,其中环将打开并且孤电子将与携带苯环的碳连接在该碳上会发生OH的添加然而,化学家在产品混合物中没有检测到这种开环材料,表明自由基的形成不是第一步当化学家使用反式-2-苯基甲基环丙烷时,已经证实了这一点,其中它们用较重的同位素氘取代了甲基的氢他们将其喂给酶并表明破坏C-H键不是第一步在美国化学学会杂志即将发表的一篇论文中,Newcomb和Lippard提出,甲烷单加氧酶的工作原理是从空气中吸收一个氧分子(O2)并用它将铁原子首先氧化成铁(III),然后铁(IV)同时分裂O2并将其中一个原子置于铁(IV)上然后,该Fe = O单元能够在一步中将甲烷氧化成甲醇,