氧化铁硫杆菌氧化Fe2+的机理分析.pdf

1 2 氧化铁硫杆菌氧化F e 2 的机理分析 路殿坤1刘大星2扬红英3杨立4魏绪钧5 1 ．3 , 4 ，5 ．东北大学，沈阳 ”0 0 15 ；2 北京矿冶研究总院，1 0 0 0 4 4 摘 要通过热力学计算初步确定了F e ”进 氧化铁硫杆菌生物呼吸链的位置，对生物台成 的自由驻利用辜进行了计算分析．井根据近期研究结果分析推测了铁硫蛋白和兰锕蛋自在细菌氧 化F e 斗过程中所起的作用． 关键词氧化蛙硫杆苗；呼吸链；兰铜蛋白；细胞色素 分类号“ ] F S O I标识码A 随着提取冶金工艺技术的进步，以前用 传统方法难于处理的矿石，多金属矿床及低 品位矿石中金属的提取被提上日程。在这些 矿石的处理过程中，细菌浸矿技术的应用日 益普遍，工艺操作条件日臻完善。但在细菌 所起作用方面尚有直接、问接和混合作用机 理之说，而且对于细菌氧化F e2 及元素硫 的机理也有许多不同的见解，弄清细菌对基 质的代谢机理对于优化生产工艺条件、完善 生物冶金技术是至关重要的。 从目前应用的漫矿细菌来看，以硫杆菌 和铁氧化菌最为普遍，常见的有氧化铁硫杆 菌、氧化硫硫杆菌、氧化铁铁杆菌、微螺旋球 菌、硫化芽胞杆菌等，其中除氧化硫硫杆菌 等少数外，绝大多数菌属均可以F e2 为能 细胞壁膜 源进行生命活动。尽管没有分别研究，但一 般认为它们代谢F e 2 的机理是相同或相近 的。其中以氧化铁硫杆菌的研究最为普遍． 研究方式及内容涉及菌体蛋白组成，细胞色 索作用、特定酶的生化反应以及细胞生长研 究． 从各种研究结果看，在F e 2 氧化过程中 细胞色素c c y t ．c 及一些铁硫蛋白和一种蓝 铜蛋白参与了这一氧化过程的电子传递过 程，而且提出了前一时期比较认同的电子传 递和氧化磷酸化模型，见图l 。3 。而近期的 研究与这些模型有许多矛盾，本文将从细胞 氧化磷酸化过程热力学计算人手，结台近期 研究结果，对细菌氧化F e 2 的机理进行探 讨。 警P ．m t i c y a , - 。 R 二叫攀 ， ’，’ 1 细胞质 a 固1 氧化铁硫杆菌氧化F e 2 示意凰 a 电子传递选径 b 合成A T P 作者简介路殿坤 t ％J 4 一 ，男 汉 ．沈阳市』、．东北太学博士． A D P P j 能量 细胞膜细胞质 h 岁下／r l 暮一驻 万方数据 1 3 1 蕊质进八电子传递链位置的热 力学分析 强2 是典型的鞍究整的电子传递链中各 种色索及酶的氧化还原电位图o ．尽管各 种色素及酶的电位柱不同的p H 值下会有所 变他，但A ．I P 的合戏场所是相对鞠定的，对 于幂闾静基覆来说，冀迸天电子鼹遴链懿莽 位是幂同的，这与旗藤对递氢体的需求与否 及基质的氧化还原电位有关，完蠛的呼吸链 共有三处较大的电位落差，每一处传递两个 鸯予豹裁量变诧郝蹩渡产生一个A T P 分 子，豳丽基质进入呼吸链的电位越低，其提 供绘细胞的能最越多。而对于弱还原性基 质。燕电位较高，固而进 呼吸链的位置靠 磊，掇臻肇缨魏器熊慧遣夕， 篓 ； 篷 箍 忸 皿 圈2电子在传递链上传递的电位疑自由能降 对于F e 2 的氧他来说，其反应及相应的 垂巍糖变恁魏下 2 F e 2 1 ／2 0 ，十2 H 2 F e 3 联，0 AG o 8 8 ．3 9 4 k J 不同p H F e 2 截他的自由能变化为 k J 培l L 0l 。5 Z 0 2 ．5 3 , 5 i 8 矗G霄0 t7 1 ．3 1岱．6 2显站嚣辫3 1 ．糕 若将F c 2 的氯化与磷酸化偶起来，其 总腻鹿如下 2 F e 2 1 ／2 0 2 2 H x A D P P 0 2 F e ” H , O A ’l P 矗G 3 6 ．8 X 一8 8 ．3 9 k J 令A G 0 ，则x 2 ．4 0 ．即每传递两个 电子理论上最多可合成2 ．4 个A T P 。然而， 巍与磷酸{ l 偶食懿完整的电予镗递链孛，其 褥3 处电位降落樯度较夫静逸城可供A T P 含成，而且A T P 的合成量与基质氧化消耗的 瓶原子数保持j 聩乎整数比的关撩，其值分别 为P O 3 l 、2 1 和1 l 逸静薅氧比 麓蒸凄进夭蜉啜链弱位置舂美，避A 跨I 爱链 的电位越高，藏P O 比值越小。由于 №2 氧化的能擞即使全部用于合成A 皿， 簿漕耗一个氧赋予也只能合成2 ．4 个A T P ， 掰敬P O 数搬毽哭戆选择2 l 或l l 。 攘于氧佬磷酸他过程并非在标准状态下避 矸亍，其平衡常数 K 啪 e “G ／R 1 [ A T P 】，I A D P ] 。 1 ／[ P j 1 f i f e 3 十】／【i 毡’1 xl ／[ P o J 擗 Z ／[ H D 2 设P 0 2 2 1 1 0 3 P a ，f F e “] l i F e 2 】_ l 平 啕值 ，【H 1 O ．O l m o l ／L ，[ P i 】一O ．0 2 8 m o l ／L ， 遗些条件与正常艇物培养条件相似，也与正 常滔缨箍中P ；的农乎相当。 争x 2 ，．羲} 差A T P ] ／[ A D P 】 3 ．7 5 l o 一 羞 令x 1 ，Ⅲl J [ A T P I ／[ A D P 】- 1 4 1 。很难想象在 细菌体内A T P 的台成场所中A T P ／A D P 具 礴3 。7 5 1 0 “这样低的比值，送对A T P 与 纳P 戆跨蒺辕遴蹙不霉爨豹。寝正常豹甄 肉缅胞中，为使磷酸肌酸的储藏选剜正常水 平．其A T P ／A D P 之比值必须太于1 0 0 。，从 此可以看出x l 应该是正确的结果，即每消 耨l m o l 氧嚣予霹以产生I m o t A 四，若以 诧计算，氧仡1 0 ％F e 2 可产生0 ．8 9 5 m o l A T P ， 折台能量为3 2 ．9 4 5 1 0 ．设菌体成分可以近 似地表示为 嘲’o ，其生成自由焓为 A G ‰ 一4 7 4 ．8 5 1 0 ／m o l “，若1 0 0 9 F e 2 氧纯 产生的A T P 垒蘸胡于细蕤台渡，爵褥干缎耱 2 ．0 8 9 。 据文献C 4 报道，F e 2 氧化供细胞合成其 是出籀剥用率为0 ．2 0 6 ，在p H 一1 , 6 时氧化 1 0 0 9 尧＆2 霹念琥予蘩蘧e 。8 6 9 ；男擐文藏 5 报道，在F e 2 连续培养时最高自由雒利 万方数据 1 4 用率为2 5 ％～3 0 ％，这样氧化1 0 蚀F e 2 可 产生予细胞重弹O ．9 3 ～1 ．1 敏。由此可觅， 在以F e 。 为基质培养细菌时，每氧化2 t o o l R 2 茸合藏l m o l A T P 。在p H 1 ．5 、2 ．0 和3 ．0 时，其自由能利用率分别为5 4 ．6 9 ％，5 9 ．8 7 ％ 鞠7 3 ，静％。蔼对于实际生蛰会戚来说。其 所耗自由能只占合成A r r P 的能量的5 0 ％左 右。其余5 G ％A 强‘豹貔量羯予其纯嫩鑫活 动。计算结果嗣时表明，由于每传递两个电 子更产生一个A T P ，毽薅F e 3 进入生物呼 吸链的位置在细胞色素c 之前而位予泛醌 辅酶Q 之后。 2 美于F e 2 代谢过截中各种酶 盼终竭谚} 究 有关酶及细胞色索参与F e “氧化的催 诧的研究强多。扶较为流行魏国l a 串可 知，F e 2 先与一种含铜骚白结含后才与电子 俦递羲豹细胞毡素e 翱连，髯经细藏色素a 将电子传递绐瓶。F e 2 的氧化发生j 二质膜 努熬周痿空阗，{ l l ；氧豹逶覆发焱予骥逡的绸 胞质中。但最近的研究表明上述机理还有待 饔棱。 对于含铜蛋白 R u s t i c y a r d n 的作用及其 在F e 2 氧化中作用联_ 枣毒投多争谈。v l P u l g a r 等人证巢，以F e 2 为基质培养的氧化 铁硫抒壤，其台锕蛋白占其绷臆总蛋囊质含 薰的5 ％，而以硫为基艨时其禽量仅占总蛋 白质含爨的1 ％左右。。这说明该蛋幽质在 F t 2 的催记氧讫中可能起着登关重簧的作 用。J ．C ．C o x 等人也证实了该禽铜蛋融确能 被F e 2 还舔，说臻它寄珥麓作舞电子传递链 中的第一个电子受体o 。但A ．G ．L a p p i n 等 A 发理禽钢蛋蠢与F c 。 反应十分缓懂o ，这 与细胞催化氧化F e 2 的较快速度有些矛 麓。 F r e d e r i cN u n z i 等人研究了氧化铁硫 挺蓥鲮禽镔蛋是，发褒它具有壤裒鲍袋纯还 原电位，平均为0 ．5 7 v ∞。在p H 为2 ～5 之 闻岛p H 成线一姨关系。当p H 2 时 E h 一0 石3 V 。这样的电位显然高于纲胞色素c 的电位，很娥想象它会作为第一电子受体再 把电子传渔给缅脆色素e 。而艇另据拯 导⋯，F e “一c y t ．c m 一氧化还原酶柱以c y t ．c 5 目 幸 墩子受俸时可将 2 锤纯氧耗，箕氡纯还 原电位在∞～4 5 0 m V 之间，正邋合于怍 2 静电予爱体势撼亳子蒋速绘c y t ．c 。餐 它不能还原禽铜蛋融。而电位更高的细胞包 素襞纯酶 绻橡翻控甓坶岛c y t 。a a ，撩镊 溉 能氧化兰铜蹑自，又能氧化c y t ．c 。且其最 佳撵用p H 馕为3 ．5 。因蕊，尽彗兰锻蛋自在 F e 2 氧化中可能起着重要作用，但接确切作 用及进入电子传递链的位溉海待进一步研 究。 另据T a t e oY a m a n a k a 等人的研究发 现，F e “一q t ．c 。一毓纯还源酶 一组铁硫鞲 白 利用F c “还原了c y t ．c m 而不直接与兰铜 蛋岛厦瘟，懿在步量霹溶静c y t 。e 存在下遣珂 还原兰铜蛋白，细胞色素c 氧化酶可同时瓤 纯兰铜蛋鑫鞣与质貘耀连戆还嚣态静e y t 。o 。 且其爆佳作用p H 值分别为4 ．0 和3 ．5 。衙 耀美螅热力学计算裘磷氧的还愿藏发生在骥 膜以外，即细胞色素氧化酵在周质空间将电 子传递绘氧。握此掇出了氧他铁虢抒蓉氧豫 F c 2 的电子传递及A T P 合成的示意图，见 图3 “”。该爨中兰铜骚自按逝艘顺序排在c y t ．e 之届或与之并行，而且氧的还原与F e 2 的氯 化均在周质空间完成，这与图l 稳明显区 别．丽且襻为第一电子受体的铁硫鬣自的作 用与图2 的电位序刘比较吻合．除此之外还 发瑰铁穗餐癌与氧纯态静c y t ．o 捧胡螽失去 活性，而兰铜噩白的存在可维持该铁硫蛋嬲 翡滔往，壶就看来，它至步对铁硫甏鑫具骞 某种稳定和缓冲作用。同时发现细胞色素c 氧纯薅窘毒箍争矗短素，其俸耀穗绻糖均与 电子传递链中的c y t ．a a 、相似。而且还原态 懿兰锤蛋垂秘霹溶懿c y t ．e 农春s 0 2 , - 奏在瓣 其酶促反应加速，这与氧化铁硫秆菌的培养 万方数据 1 5 必须有S O _ 存在相符合，但s O 一的存在也 使与膜姻建的c y t ．c m 的摄像受到摊制，盘 此看来兰铜蛋自的作用钕_ 簪和c y t ．G s 构成 了双电子传递的两个通道，从而免除了铁硫 蛋蠢困c y t 。c s 啦俊秀高露失去活性．达爨 稳定铁硫鬣白和每次传递两个电子的目的。 周 № 潮3 氯化铁硫杆麓氟讫＆2 的电子传递示意图 3 结论 透过热力学静簿朝对冀德霹究嚣豹鐾凳 进行分析可得出以下一些观点 1 F e 2 进入氧化铁碱杆菌的电子传递 链豹垃受应在泛酪臻c y t ．o 之援，其巾F e 2 一 c y t ．c 一氧化还原酶 铁硫蛋白 很可艟是第 一电子受体。 2 每传递两个电子可合成一个A 砸，分 子，其能摄利用率约为5 0 ％～8 0 ％，其值随 p H 升高而上升，而A T P 用于生物合成的利 用率也只有5 0 ％左右， 3 F e 2 的氧化和甄的还原均发生在细 胞的周质空间，兰铜蛋由的作用在于为电子 抟递撮袋贯一令逶遵，并砖镀硫疆鑫鳇滔蛙 具有稳定作用。 参考交簸 l 物短万，邱定饕．湿法冶搬．北京冶金工业出版 拄，l 斓。2 勰， 2 捌袢云．高必成．生物化学．北京中国农业出版 牡，1 9 9 i 1 1 1 3 袋WM cG i t v e r yP hD IP r e s so fw * B S a u n d e I sC o m p a n y ．L o n d o n ，1 9 7 9 ，3 9 5 ． 4 王恩德．关广蠕．地质学报．1 9 9 3 ， 3 2 2 l ～2 3 1 ． 5GlK a r a v a i k oc t a l ，B i o g e o t e c h n o l o g yo f M e t a l s 。C e n t e rf o rI n t e r a a t i o n a l P r o j e c t s G K N T , M o s c o w ，1 9 8 8 ，1 1 5 ． 6VP u l g a re t a l 。B i o h y d r o m e t a U u r g i c a lT e e h - n o l o g i e s ．AP u b l i c a t i o no fT 磷，1 9 9 3 ，5 4 i 。 7JCC o x ，DHB o x e r ．B i o c h e m i c a lj o u r n a l ， l 强1 9 7 8 4 9 7 8AGL a p p i n ，CAL e w i s ，WjI n g l e d ￡w ． i n o r g a n i cC h e m i s t r y , 2 t1 ％5 ．1 4 4 6 9F r e d e r i cN u n z i 。M i 坶i n oB r u s c h i ．B i o h v d I O m e t a l l u r g i c a lT e c h n o l o g i e s ，AP u b l i c a t i o no f 1 N 螺．1 9 9 3 , 舳3 l O1 _ o m o n o b uK u s a n oe t 越B i o h 删r o m e t a l l u * r 群喇T e c h n o l o g M s ，AP u b l i c a t i o no fT M S ， l 螂．7 2 5 ． 1 ln t o oY a m a n a k ae ta l 。B i o h y d r o m e t a l l u r g l c a l T e c h n o l o g i e s ，AP u b l i c a t i o no f 彳瑙，1 9 9 3 , 4 5 3 ． 万方数据