氧化还原酶辅因子使用偏好的生物信息学与化学信息学研究

摘要

氧化还原反应(oxidation-reduction reaction,也作redox reaction)是生物体内基本且重要的反应类型之一，其反应本质是电子的转移，但因氨基酸本身并不具备良好的得失电子能力，所以绝大多数氧化还原酶催化反应需要辅因子（cofactor）的参与。辅因子是指能与酶结合并且是催化反应所必需的非蛋白质类化合物，主要包括以下两大类：有机辅因子，如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）、黄素腺嘌呤二核苷酸（FMN）、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）等；金属辅因子，如锌(Zn)、铁(Fe)、锰(Mn)、镍(Ni)、钴(Co)等。由于这两类辅因子都具有良好的得失电子能力，因此有必要研究氧化还原酶对以上两类辅因子的使用有无选择偏好性以及探讨产生此偏好性的可能原因。
　　本论文综合使用生物信息学方法和化学信息学方法对生物体内氧化还原反应进行研究分析。首先，通过统计SWISS-PROT/TrEMBL数据库中所有氧化还原酶（EC1._._._）（共计1151个酶号）对辅因子的使用情况，按辅因子的使用类型将氧化还原酶分为两类：使用有机小分子作为辅因子的有机酶和使用金属离子作为辅因子的金属酶。发现氧化还原酶对有机辅因子的使用频率（76.1％）要远高于金属辅因子（14.3%）；其次，为了解释氧化还原酶对辅因子的使用偏好性，我们选择了41个物种并通过生物信息学方法对其体内氧化还原酶辅因子的使用频率进行了统计分析，发现古核生物和原核生物体内大约90%的氧化还原酶使用有机辅因子，真核生物体内约78%的氧化还原酶使用有机辅因子。为了进一步解释上述现象，一方面，对氧化还原酶催化反应方程式进行了分析，发现有机酶类约28.5%的反应需要氧气直接参与，而金属酶类则约为63.2%，因此我们推断氧气的出现有可能是导致金属辅因子使用频率升高的重要原因；另一方面，又通过化学信息学方法对氧化还原反应涉及的小分子进行了化学性质方面的分析，发现金属酶组偏好使用疏水性强的小分子，因此我们推断氧化还原酶选择使用金属辅因子是为了更利于疏水的细胞内反应环境。

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第一章 引言

1.1 氧化还原酶简介

1.2 辅因子简介

1.3 生物信息学简介

1.4 化学信息学简介

1.5 本论文的出发点和研究内容

第二章 氧化还原酶辅因子使用偏好的生物信息学研究

2.1 研究的对象

2.2 本章使用的相关生物信息数据库

2.3 研究方法及路线

2.4 结果与讨论

2.5 结论

第三章 氧化还原酶辅因子使用偏好的进化生物学研究

3.1 本章使用的相关生物信息数据库

3.2 研究的对象

3.3 研究方法及路线

3.4 结果与讨论

3.5 结论

第四章 氧化还原酶辅因子使用偏好的化学信息学研究

4.1 本章使用的化学信息学研究方法

4.2 本章研究对象

4.3 本章使用的生物信息数据库、设备和软件简介

4.4 研究方法及路线

4.5 结果和分析

4.6 结论

第五章 论文总结

参考文献

附录

攻读硕士期间发表的论文

致谢