WWW.DIS.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |

Функционирование, механизм регуляции активности и возможное практическое использование голубых медьсодержащих оксидаз

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Шлеев Сергей Валерьевич

Функционирование, механизм регуляции активности

и возможное практическое использование

голубых медьсодержащих оксидаз

Специальность 03.01.04 – «биохимия»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

Москва 2010

Работа выполнена в лаборатории химической энзимологии Учреждения Российской академии наук Института биохимии им. А.Н. Баха РАН

Научный консультант: доктор химических наук, профессор Ярополов Александр Иванович

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Звягильская Рената Александровна доктор химических наук, профессор Карякин Аркадий Аркадьевич доктор химических наук, профессор Решетилов Анатолий Николаевич

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН

Защита состоится «14» октября 2010 г. в 15 час. на заседании диссертационного совета Д 002.247.01 при Институте биохимии им. А.Н. Баха РАН по адресу: 119071 Москва, Ленинский пр. 33, корп. 2, конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в Библиотеке биологической литературы РАН по адресу:

119071 Москва, Ленинский пр. 33, корп. 1.

Автореферат разослан « » 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук А.Ф. Орловский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Голубые медьсодержащие оксидазы (МСО), к которым относятся лакказа (Lc), билирубиноксидаза (BOx) и аскорбатоксидаза (AOx), а также церулоплазмин (Cp), занимают особое место среди окислительно-восстановительных ферментов. Они обладают высокой удельной активностью и способностью к прямому восстановлению О2 до Н2О без образования промежуточных высоко реакционно-способных токсичных интермедиатов кислорода. Большой интерес, как в фундаментальном, так и прикладном плане, представляет субстратная специфичность этих ферментов, способных окислять широкий круг органических и неорганических соединений. Окисление органических соединений протекает по свободнорадикальному механизму, который в настоящее время до конца не изучен. Таким образом, МСО представляют большой интерес с точки зрения фундаментальных исследований их структуры и механизма катализа. Это обусловлено строением активного центра медьсодержащих оксидаз, в который входят ионы меди трех различных типов, координированное взаимодействие которых в процессе каталитического акта одноэлектронного окисления субстратов доноров электронов или атома водорода, позволяет осуществлять восстановление О2 непосредственно до Н2О. Помимо этого, каталитические свойства MCO делают возможным их широкое использование в целлюлозно-бумажной, текстильной, пищевой и косметической промышленностях, а таже медицине. MCO используются для детоксикации и обесцвечивания сточных вод, биодеградации ксенобиотиков, создания антимикробных композиций, получения древесноволокнистых плит, древесных блоков и картона без применения токсичных связующих, при производстве моющих средств и в клиническом анализе.

Интерес к практическому использованию MCO еще более возрос в середине 90-х годов ХХ века, после открытия возможности усиления действия этих ферментов с использованием различных редокс-медиаторов, что позволило существенно расширить область их практического применения. Медиаторы MCO представляют собой субстраты этих ферментов, в процессе окисления которых образуются высоко редокс-потенциальные и химически активные продукты.

Последние могут вступать в реакцию с соединениями, которые не подвергаются окислению одними лишь оксидазами, или участвовать в переносе электронов в электрохимических реакциях, ускоряя электрохимические процессы с участием данных ферментов. Кроме того, в процессе окисления органических субстратов образуются свободные радикалы, которые могут модифицировать другие соединения. Значительный интерес представляет собой использование MCO в органическом синтезе. Показана возможность использования MCO для окисления первичных гидроксильных групп производных сахаров, для синтеза винбластина и бензальдегидов.

Важным направлением практического использования данных ферментов является их применение в биоэлектронике – новой области биотехнологии, сформировавшейся на стыке биологии и электроники и имеющей большое прикладное значение для медицины, высокотехнологичных производств и биокомпьютерных технологий. Основой для создания биосенсоров и биотопливных элементов может быть субстратная специфичность MCO, их высокая активность и стабильность, а также возможность протекания реакции прямого биоэлектрокатализа.

Однако, до сих пор остается неясным детальный механизм функционирования и принципы регуляции активности данного класса ферментов.

Цель работы – установление механизма функционирования и регуляции активности MCO в гомогенных и гетерогенных биокаталитических системах с целью их обоснованного и рационального использования в биокаталитическом синтезе и системах биодеградации ксенобиотиков, для разработки устройств трансформации химической энергии в электрическую, а также для оптимизации электроаналитических сенсоров.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:



1. Детально изучить биохимические и каталитические характеристики грибных, древесной и бактериальной Lc с целью выбора наиболее перспективных ферментов для использования в различных биотехнологических процессах и биоэлектронных устройствах.

2. Разработать метод экологически чистого синтеза электропроводящего полианилина с участием высоко редокс-потенциальных Lc.

3. Предложить стратегию отбора и исследования потенциальных редокс-медиаторов Lc и провести апробацию лакказа-медиаторных систем (LMS) на практически значимых объектах.

4. Провести комплексное сравнительное спектральное и электрохимическое изучение MCO, включающее, в том числе, и разработку методов и подходов редокс-титрования микроколичеств белков с целью определения редокс-потенциалов их активных центров.

5. Предложить подходы для практического использования MCO в биосенсорах и биотопливных элементах.

6. Выяснить закономерности регуляции активности МСО на молекулярном уровне с использованием электрохимических методов. Экспериментально показать “диод-“ и “триодподобные” свойства биоэлектрохимических устройств.

Научная новизна работы. На основании комплексного исследования основных биохимических и физико-химических свойств, субстратной специфичности и каталитических параметров грибных, бактериальной и древесной Lc выявлены основные критерии отбора Lc из различных таксономических групп для использования в биотехнологии. Детально изучены и систематизированы биоэлектрохимические свойства Lc, BOx и Cp. Предложены новые экспериментальные подходы для исследования активных центров MCO, в том числе разработаны уникальные макро и микро спектроэлектрохимические ячейки. С их использованием были определены значения редокс-потенциалов Т1 центров MCO, а также впервые установлены возможные значения потенциалов некоторых интермедиатов трехъядерного медного кластера ферментов. Сформулированы и экспериментально исследованы пути сопряжения ферментативных реакций MCO и электрохимических процессов с их участием. Комплексные физико-химические и биохимические исследования показали, что механизм и эффективность электронного переноса (ЭП) зависит от ориентации молекул фермента на поверхности электрода. Результаты исследования биохимических, физико-химических, спектральных и электрохимических свойств MCO, субстратной специфичности и механизма действия этих ферментов вносят свой вклад в понимание механизма гомогенного и гетерогенного катализа многоядерными медьсодержащими оксидазами. Теоретически обоснованы и экспериментально доказаны “диод-“ и “триод-подобные” свойства высоко редокс-потенциальной грибной Trametes hirsuta Lc. Высказано предположение о регуляторном значении открытых и исследованых “полупроводниковых” свойств MCO при функционировании данных ферментов в природе.

Обнаружен новый класс редокс-медиаторов Lc (усилителей действия фермента) с общим названием 1-фенил-3-метил-пиразолоны-5 (PP). Подобраны и экпериментально подтверждены научно-обоснованные критерии отбора редокс-медиаторов Lc для создания эффективных систем для обесчвечивания лигноцеллюлозы.

Впервые с участием высоко редокс-потенциальной грибной Lc осуществлен синтез электропроводящего полианилина и изучены его физико-химические свойства.

Практическая значимость. Решение поставленных задач позволило выяснить возможности, ограничения и перспективы использования голубых MCO в различных областях биотехнологии.

На основе различных Lc разработаны амперометрические биосенсоры для определения соединений фенольной структуры и водорастворимого лигнина. Сконструированы и охарактеризованы модели безмедиаторных, безмембранных биотопливных элементов, использующих в качестве топлива глюкозу, а в качестве окислителя – растворенный кислород.

Предложена схема отбора потенциальных редокс-медиаторов Lc и экспериментальные методы их тестирования, что значительно облегчает поиск новых медиаторов фермента. Ряд соединений класса PP отвечают многим требованиям, предъявляемым к усилителям действия ферментов, а именно высокая эффективность, низкая стоимость и экологическая чистота. Показана возможность использования этих соединений для отбеливания лигноцеллюлозы. В частности, проведены лабораторные испытания LMS для делигнификации бумажной пульпы. Разработаны методы ферментативного синтеза электропроводного полианилина с различными свойствами, отвечающие требованиям «зеленой» химии.

Положения, выдвигаемые на защиту:

• особенности механизмов гомогенного и гетерогенного катализа с участием высоко и низко редокс-потенциальных голубых MCO;

• биоэлектрохимические свойства голубых MCO, адсорбированных на электродах из различных материалов;

• обоснование “диод-“ и “триод-подобных” свойств Lc;

• амперометрические биосенсоры на основе голубых MCO для определения соединений фенольной структуры и лигнина;

• модели безмедиаторных, безмембранных биотопливных элементов, использующих углеводы в качестве топлива и растворенный кислород в качестве окислителя;

• схема отбора потенциальных редокс-медиаторов Lc и методы их тестирования;

• разработка методов синтеза электропроводящего псевдоводорастворимого, а также оптически активного полианилина.

Публикации. По материалам диссертации опубликована 41 научная статья, получено российских патента. Данные диссертации суммированы в 4 обзорных статьях, а также включены в книгу “Электрохимия белков и нуклеиновых кислот”, выпущенную издательством «Elsevier».



Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |
 


Похожие материалы:

«Шиенок Александр Николаевич ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОРМОВЫХ РЕСУРСОВ ОСТРОВНОЙ ПОПУЛЯЦИЕЙ ПЕСЦА (Vulpes lagopus semenovi Ognev, 1931) 03.02.04 – зоология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук Москва 2014 Работа выполнена на кафедре зоологии позвоночных биологического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова Научный руководитель: доктор биологических наук Крученкова Елена Павловна Официальные оппоненты: доктор биологических наук ...»

«ШЕСТАК Анна Александровна АКТИВНЫЕ ФОРМЫ КИСЛОРОДА И ИХ ИСТОЧНИКИ В ПРОГРАММИРОВАННОЙ ГИБЕЛИ КЛЕТОК РАСТЕНИЙ И ЦИАНОБАКТЕРИИ АNABAENA VARIABILIS 03.00.2503 – гистология, цитология, клеточная биология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Москва – 2007 Работа выполнена на кафедре физиологии микроорганизмов биологического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова. Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор ...»

«ШАМГУНОВА Регина Раисовна ЭКОЛОГО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕПТИЛИЙ СРЕДНЕЙ И СЕВЕРНОЙ ТАЙГИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ 03.02.08 — экология 03.02.04 — зоология Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Екатеринбург — 2010 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) Работа выполнена в ГОУ ВПО Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа – Югры доктор биологических наук, профессор ...»

«ШАДРИНА МАРИЯ ИГОРЕВНА МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БОЛЕЗНИ ПАРКИНСОНА 03.01.07 – Молекулярная генетика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук МОСКВА – 2011 Работа выполнена в Отделе молекулярных основ генетики человека Учреждения Российской академии наук Института молекулярной генетики РАН доктор биологических наук, профессор Научный консультант: Петр Андреевич Сломинский Учреждение Российской академии наук Институт молекулярной генетики РАН ...»

«Семенова Ольга Владимировна СТРУКТУРА И ДИНАМИКА НАСЕЛЕНИЯ ЖУЖЕЛИЦ ПАРКОВОЙ ЗОНЫ КРУПНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ГОРОДА НА ПРИМЕРЕ НИЖНЕГО ТАГИЛА 03.00.16 – экология Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Екатеринбург - 2008 2 Работа выполнена в Институте экологии растений и животных Уральского отделения Российской Академии Наук Научный руководитель: кандидат биологических наук Ольшванг Владимир Николаевич Официальные оппоненты: доктор биологических наук ...»

« Салеем Кайд Мохаммед Абдулла ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГУМИНОВЫХ ПРЕПАРАТОВ ДЛЯ ДЕТОКСИКАЦИИ И БИОДЕГРАДАЦИИ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ 03.00.16 –экология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук 2 МОСКВА 2003 г. Работа выполнена в Российском государственеом университете нефти и газа им. И. М. Губкина на кафедре промышленной экологии. Научный ...»

«РАСТИТЕЛЬНЫЙ ПОКРОВ СТЕПЕЙ ЛЕВОБЕРЕЖЬЯ ДНЕСТРА: АНАЛИЗ ФЛОРЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ РАСТИТЕЛЬНОСТИ Специальность 03.00.05 – Ботаника Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук Тирасполь 2007 Работа выполнена на кафедре ботаники и экологии естественно-географического факультета ПГУ имени Т.Г. Шевченко Научные доктор сельскохозяйственных наук, руководители – профессор Валерий Федорович Хлебников, кандидат биологических наук Павел Яковлевич Пынзару Официальные ...»

«Рыжакова Ольга Сергеевна ИНТЕРСТИЦИАЛЬНАЯ КОЛЛАГЕНАЗА (ММП-1) И ЕЁ ЭНДОГЕННЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ПРИ ТРАНСФОРМАЦИИ ФИБРОБЛАСТОВ ГЕНОМ Е7 ВИРУСА ПАПИЛЛОМЫ ЧЕЛОВЕКА 16 ТИПА (HPV16) 03.00.04 – биохимия АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук Москва 2008 Работа выполнена в Государственном учреждении Научно-исследовательском институте биомедицинской химии имени В.Н. Ореховича Российской академии медицинских наук Научный руководитель: доктор биологических наук, ...»

« РИЗАЕВА Елена Петровна БИОХИМИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 03.00.16 - Экология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук КАЗАНЬ - 1998 Работа выполнена на кафедре прикладной экологии экологического факультета Казанского государственного университета. Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент Евтюгин Г.А. Научный консультант доктор химических наук, профессор Латыпова В.З. Официальные оппоненты: доктор ...»




 
© 2013 www.dis.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.