28880.氧氣對代謝進(jìn)化的影響：化學(xué)信息學(xué)與生物信息學(xué)的綜合研究

1、山東理工大學(xué)山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文氧氣對代謝進(jìn)化的影響：化學(xué)信息學(xué)與生物信息學(xué)的綜合研究氧氣對代謝進(jìn)化的影響：化學(xué)信息學(xué)與生物信息學(xué)的綜合研究ACombinedChemoinfmaticsBioinfmaticsInvestigationofOxygenImpactonMetabolicEvolution研究生：姜瑩英姜瑩英指導(dǎo)教師：張紅雨教授張紅雨教授協(xié)助指導(dǎo)教師：申請學(xué)位門類級別：理學(xué)碩士理學(xué)碩士學(xué)科專業(yè)名稱：生物化學(xué)與分子生物學(xué)

2、生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究方向：計(jì)算生物學(xué)計(jì)算生物學(xué)論文完成日期：2010年4月6日2010年4月6日單位代碼：10433學(xué)號：Y0710165分類號：Q11密級：山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要摘要在生物和地球化學(xué)進(jìn)化史上，氧氣的出現(xiàn)是一個(gè)關(guān)鍵的歷史事件，代謝方式的改變直接促進(jìn)了高等生命的進(jìn)化。然而，氧對代謝進(jìn)化的影響機(jī)制尚屬未知。最近，Raymond和Segr通過模擬代謝網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)氧氣使得無氧條件下的網(wǎng)絡(luò)急劇膨脹，這為理解氧氣和代謝進(jìn)化的關(guān)

3、系提供了新的重要線索，但從分子水平上解釋氧氣濃度升高與生命復(fù)雜化的聯(lián)系仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。為了探討氧氣對進(jìn)化的影響，我們綜合利用化學(xué)信息學(xué)與生物信息學(xué)的方法全面分析了無氧代謝和有氧代謝在代謝物、代謝途徑和酶等方面的差異。研究結(jié)果表明氧氣對代謝的進(jìn)化產(chǎn)生了極大影響。第一，有氧代謝產(chǎn)生了無氧環(huán)境中不存在的反應(yīng)物（如磺酸鹽和亞硫酸鹽）；第二，有氧代謝引進(jìn)了新穎的反應(yīng)類型（如需氧的羥基化反應(yīng)），增強(qiáng)了代謝產(chǎn)物的極性；第三，有氧、無氧代謝

4、的反應(yīng)出發(fā)點(diǎn)不同，有氧反應(yīng)不是從無氧代謝網(wǎng)絡(luò)的中心出發(fā)，而是從它的邊緣出發(fā)進(jìn)行反應(yīng)；第四，氧氣可以促進(jìn)一些輔因子的使用，如銅離子、NADP(H)和鐵離子。因此，氧氣有助于開拓更廣闊的生物結(jié)構(gòu)空間和化學(xué)空間，為了適應(yīng)氧氣引起的這些生化變化，代謝中的酶征用了新的折疊類型（fold）和催化位點(diǎn)。氧氣引起的代謝物結(jié)構(gòu)和化學(xué)空間的擴(kuò)展，對理解氧氣濃度升高和生命復(fù)雜性增強(qiáng)的關(guān)系具有指導(dǎo)意義。首先，有氧代謝過程中合成的類固醇在真核生物膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程中發(fā)揮

5、了重要作用，這是原核到真核進(jìn)化的至關(guān)重要的一步；另外，有氧代謝物比無氧代謝物具有更強(qiáng)的疏水性，所以更容易穿過細(xì)胞膜作為核受體配體參與核信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，通過驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)大部分（97.5%）核受體配體是由有氧代謝產(chǎn)生的，而核信號系統(tǒng)是高等真核生物特有的，所以有氧代謝促進(jìn)了生物進(jìn)化。氧氣誘導(dǎo)產(chǎn)生的新fold有助于推測有氧代謝相關(guān)事件出現(xiàn)的時(shí)間。把有氧代謝酶的創(chuàng)新fold放在我們建立的一個(gè)蛋白fold時(shí)鐘里，推斷有氧代謝出現(xiàn)在約29億年前，而氧氣濃