课题基金 / 基金详情

一种新的葡萄糖脱氢酶FAD-GDH的晶体结构与催化机制研究

批准号:
31560244
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
40.0 万元
负责人:
杨愈丰
依托单位:
学科分类:
结构生物学
结题年份:
2019
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
王燕、刘星、魏妮娜、彭莉萍、兰小淞、邓镇涛、谢鹏

项目摘要

结项摘要

项目成果

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中文摘要
植入式医疗设备在临床诊断和治疗中的应用越来越普遍,但其电池的局限严重影响了它的进一步发展。酶燃料电池能利用体内的葡萄糖氧化供能,理论上可以实现医疗设备的永久性植入,是最有发展前途的一种电池。这种电池的主要元件之一是各种氧化还原酶。其中,FAD型葡萄糖脱氢酶(FAD-GDH)稳定性好、底物专一性高、催化效率高,综合性能优于葡萄糖氧化酶或其它的各种葡萄糖脱氢酶;但FAD-GDH很难实现重组表达,特别是在大肠杆菌中。到目前为止,FAD-GDH的结构信息和催化机制都尚未阐明。本课题拟从一个土曲霉来源的FAD-GDH出发,通过结合多种表达和纯化策略,建立一个简单有效的表达纯化方案,来大量制备高纯度的FAD-GDH进行酶学性质测定和蛋白质结晶。通过测定FAD-GDH的母体和复合物晶体结构,结合相关突变体的酶学性质数据,来阐明FAD-GDH的催化机制,为深入了解和合理开发利用FAD-GDH奠定结构基础。
英文摘要
Implantable medical devices are applied with increasing frequency in field of clinical diagnosis and treatment, but the limits of their batteries impair the further application of them. Enzymatic fuel cells (EFCs) can offer the power by oxidizing glucose in human body, which can realize permanent implantation of medical devices in theory and they are thought to be the most promising batteries. All kinds of REDOX enzymes make up one of the main components in EFCs..In all common used REDOX enzymes, FAD-dependent glucose dehydrogenases (FAD-GDHs) are endowed with good thermostability, high substrate specificity and high catalytic efficiency, of which are superior to those of glucose oxidases and other glucose dehydrogenases. However, FAD-GDHs are hard to recombinant expression, especially in Escherichia coli. There is no structural information of FAD-GDHs available and the catalytic mechanism of which is unclear either till now. Here the program focuses on the FAD-GDH from Aspergillus terreus. By combining several methods of expression and purification, a simple and effective protocol will be set up to produce large amounts of FAD-GDH with high purity. The purified FAD-GDH will be used to enzymatically mensuration and crystallization. After getting the structural information of FAD-GDH and its compound, mutation in FAD-GDH will be carried out to make sure the special functions of some amino acids. Combined the structural information and enzymatic data from mutant FAD-GDHs, the catalytic mechanism of FAD-GDH will be clarified. The result of the program will pays the way for further understanding, reasonable development and utilization of FAD-GDH.
目前我国已成为糖尿病高发国,每年约有近一百万的糖尿病新增病例。这些患者日常的血糖监测非常重要。在血糖检测试纸中,酶的性能对检测结果的准确性起到至关重要的作用。本课题聚焦来源于土曲霉的葡萄糖脱氢酶FAD-GDH,建立了有效的重组表达和分离纯化方案,得到的高纯度蛋白用于结晶研究。最终采用座滴法,以0.8 M 柠檬酸钠, 0.1 M Tris pH 8.8和0.1 M 碘化钠为槽液, 蛋白浓度30 mg/mL,一比一点样,4℃或18℃生长2~3天后得到晶体。所得晶体经过衍射,数据处理,采用分子置换法得到了FAD-GDH的结构,分辨率为2.4Å。通过底物共结晶,底物溶液浸泡以及突变体与底物共结晶等多种方法进行尝试,最终未能得到复合物晶体。后通过与已报道的来自黄曲霉的FAD-GDH复合物晶体结构(PDB ID: 4YNU)进行比对,建立了FAD-GDH和底物的结合口袋模型。根据模型,经定点突变体验证,确定了Arg503、Asn506、His508和His551等4个关键残基,结合黄曲霉来源的AfGDH催化机制,推测FAD-GDH的催化机制可能为:His508和His551通过氢键相互作用从葡萄糖获得质子,继而通过离域作用电子和质子从葡萄糖传递给辅基FAD,变成还原型的辅基。在有外源电子受体存在的情况下,电子和质子传递给电子受体,酶得以再生。另外,由于Arg503和Asn506突变也导致了严重的FAD-GDH失活,推测它们的作用主要是固定葡萄糖在活性中心中的位置和取向。在确定了基本的催化机制之后,本课题额外做了FAD-GDH底物专一性改造等工作,最后得到的突变体Y406V对所检测的各种糖的相对活性都在5%以下,可以满足临床应用检测的需要。FAD-GDHs在血糖检测等方面的应用非常广泛,更多FAD-GDHs的结构的解析和活性中心及催化机制的阐明对该类酶的改造和进一步开发利用有非常重要理论和现实意义。
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DOI: 10.16476/j.pibb.2019.0017
发表时间: 2019
期刊: 生物化学与生物物理进展
影响因子: --
作者: [Yang Chuan Hui, Lu Rong Rui, Yang Yu Feng]
通讯作者: Yang Yu Feng
DOI: 10.16476/j.pibb.2018.0181
发表时间: 2019
期刊: 生物化学与生物物理进展
影响因子: --
作者: [向红英, 王菊芳, 杨愈丰, 吕延成]
通讯作者: 吕延成
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