290: 纳米线（Nanowires）

Author: David S. Goodsell Translator: 于 健（PDBj）

HDCR（依赖氢的二氧化碳还原酶）纤维，其中的两种酶亚基、HydA2（蓝色）和 FdhF（绿色）由 纳米线亚基（红色和蓝紫色）连接。右图显示了在蛋白质之间携带电子的铁硫辅助因子，表明在纤维内部形成了一个连续的纳米线。
HDCR（依赖氢的二氧化碳还原酶）纤维，其中的两种酶亚基、HydA2（蓝色）和 FdhF（绿色）由 纳米线亚基（红色和蓝紫色）连接。右图显示了在蛋白质之间携带电子的铁硫辅助因子，表明在纤维内部形成了一个连续的纳米线。 高质量的TIFF图片可以从这里获得。

细胞是将电子逐一传送到所需位置的专家。这种精确的电子装置是通过使用专门的电子转运体实现的。这些转运体是NAD或FAD等小分子，它们在一个位置拾取电子后将其转运到另一个位置。 细胞色素c（cytochrome c）和铁氧还蛋白（ferredoxin）等小蛋白质也是如此，它们利用血红素辅助因子（heme cofactor）和铁硫簇（iron-sulfur cluster）来运输电子。细胞还可以通过将多个电子传递载体排列成一排来构建更复杂的电路。这些载体通常含有金属离子，如血红素辅因子和铁硫簇。这些载体在蛋白质中排列成一排，电子从一个载体传递到下一个载体。例如，构成 呼吸电子传递链（respiratory electron transport chain）的三个大型蛋白质复合体就包含这些小导线。

细菌电子设备

一些细菌利用一种名为 HDCR（依赖氢的二氧化碳还原酶，此处显示的是 PDB 条目 7qv7的结构）的蛋白质组合，它利用氢作为能量来源。该集合体包含四个不同的亚基。其中之一（HydA2）是一种专门从氢气中提取电子的酶。另一个亚基（FdhF）是一种酶，它将提取出的电子加到二氧化碳中生成甲酸。剩下的两个亚基（HycB3 和 HycB4）组成[momname-zh-Hans:290]]，它连接两个酶并在它们之间传递电子。纳米线由一串铁硫簇组成。

纤维的形成

在这些细菌细胞中，HDCR 形成长螺旋状纤维（丝状纤维），并可进一步组装成具有数千个铁硫簇的大束或大环。这样做有几个好处，有助于将小型 纳米线亚基结构稳定为大型稳定结构。纤维还能创建一个由许多拷贝的酶组成的大型互连网络，这样，内部连续的纳米线不仅能在相邻的亚基之间发送电子，还能将电子传递到纤维的任意部位，必要时甚至还能存储电子。

地杆菌的纳米线

从地杆菌中获得的三种细胞色素 纳米线。携带电子的血红素显示为粉红色。
从地杆菌中获得的三种细胞色素纳米线。携带电子的血红素显示为粉红色。 高质量的TIFF图片可以从这里获得。

令人惊讶的是，地杆菌（Geobacter）可以利用含有金属的矿物质作为其能量工具箱的一部分。这种细菌制造出长纳米线结构，将电子传递到这些矿物上。图中所示的三种结构（PDB 条目 6nef、7tfs和 8d9m）由长串细胞色素蛋白串组成，每种蛋白都有一组携带电子的血红素辅助因子。这种细菌还从表面构建长长的丝毛，称为电子纤毛。这些丝状物参与电子转移。PDB条目6vk9的结构就是一个例子（此处未显示）。

探索结构

人工设计的银 DNA 纳米线

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纳米技术研究人员受到生物学的启发，设计出了自己的纳米线。其中一种方法是利用 DNA 作为支架，来定位电子携带辅助因子。这里展示的结构（PDB条目7xkm）是DNA的一个短片段，其序列设计用于在双螺旋中心捕获银离子（灰色球体）。我们的目标是将这类型的纳米线嵌入到更大的 DNA 纳米结构中。点击图下的按钮，切换到交互式可操作界面，更详细地了解这种结构。

进一步的讨论议题

  1. 在这个过程中，电子从一个辅因子移动到另一个辅因子，使用 Mol* 可以测量辅因子之间的距离。
  2. 生物能和电子传输在 RCSB PDB 的 PDB-101 中的《Exploring the Structural Biology of Bioenergy》（英文，探索生物能的结构生物学）中有详细解释。

参考文献

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本文是由RCSB PDB的PDB-101提供的《当月的分子》2024年2月的文章的中文翻译。请参考我们的条款和条件页面。

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