281: 纖維素酶和生物能源（Cellulases and Bioenergy）

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

在毛黴菌Cel7A中，糖結合模塊（頂部）和催化結構域（底部，纖維素顯示為棕色）由一個靈活的連接體連接。糖結合模塊包含幾個酪氨酸（淺藍色）和糖基化分子（淺棕色），可以抓緊纖維素纖維的表面。
來自里氏木黴（ Trichoderma reesei 、一種真菌）的Cel7A 包含一個碳水化合物結合模塊（上圖）和一個催化結構域（下圖，帶有棕褐色纖維素），通過柔性接頭連接。碳水化合物結合模塊包含多種酪氨酸（綠松石色）和糖基化（棕褐色），可抓住纖維素纖維的表面。 高質量的TIFF圖片可以從這裡獲得。

石油衍生的燃料正在減少，並且是氣候變化的主要促成因素。因此，生物能源研究人員正在轉向自然界，為人類尋找更清潔、可再生的燃料。有人提出，乙醇（ethanol）被認為是一種有吸引力的解決方案，可以作為燃料或作為生產可持續航空燃料的中間物。自史前時代以來，酒精飲料一直是通過糖的發酵來生產的，目前同樣的技術也被用來生產作為燃料的乙醇。目前，大多數糖是用玉米和甘蔗生產的，但這並不理想，因為它佔用了適合糧食生產的土地，而且這些作物的生產需要大量能源。因此，生物能源研究人員正在尋找將柳枝稷、楊樹和玉米稈等耐寒非糧食作物中的纖維素（cellulose）轉化為乙醇的方法。

纖維素的降解

纖維素是由葡萄糖（glucose）分子組成的，這些葡萄糖分子彼此緊密結合，形成穩定的聚合物。纖維素是由纖維素合酶(cellulose synthase)產生的，它將許多纖維素鏈層疊成更堅韌的纖維使其更牢固。因此，工業流程需要分離這些纖維束並將其切割成糖，然後才能發酵成乙醇。通常，通常情況下，植物材料會經過化學藥品和"蒸汽爆炸"等侵蝕性工藝的預處理，這些工藝會破壞植物細胞壁，並提供獲取纖維素纖維的途徑。然後，纖維素酶混合物將纖維素鏈分解成單個糖。纖維素酶是由一種叫做 Trichoderma reesei （也被稱為Hypocrea jecorina ）的真菌製成。這是第二次世界大戰期間在所羅門群島發現的一個物種，生長在棉織物上。如今，它廣泛用於生物乙醇生產以及其他任務，例如軟化石洗牛仔褲中的牛仔布。

纖維素酶科學

一些纖維素酶含有兩個結構域用於分解堅固的纖維素纖維（這裡顯示的是PDB條目7cel和2mwk的結構）。其中一個結構域有一個長凹槽，形狀適合與纖維素鏈結合，拉緊一個葡萄糖-葡萄糖鍵並將其定位在催化機制上進行裂解。另一個結構域與纖維素結合，確保酶始終處於正確的位置，使其能夠快速連續地進行許多裂解反應。

纖維素酶雞尾酒

Cel61B顯示淺藍色的酪氨酸，淺棕色的糖鍊和紅紫色的金屬離子，β-葡糖苷酶顯示紅色的活性部位的糖分子。
Cel61B顯示淺藍色的酪氨酸，淺棕色的糖鍊和紅紫色的金屬離子，β-葡糖苷酶顯示紅色的活性部位的糖分子。 高質量的TIFF圖片可以從這裡獲得。

像Trichoderma reesei這樣的真菌，會分泌一種複雜的纖維素降解酶混合物，這些酶共同作用來攻擊纖維素纖維。這裡包含兩個示例，並且在PDB存檔中提供了許多其他示例的結構。 Cel61B，被稱為內切葡聚醣酶7（endoglucanase 7），利用金屬離子產生活性氧，以攻擊性的方式攻擊纖維素（PDB條目2vtc）。與Cel7A的纖維素結合結構域類似，Cel61B它具有多個酪氨酸和糖基化，有助於將其粘合到纖維素纖維上。 β-葡萄糖苷酶（beta-glucosidase，PDB條目3zyz）在此過程的後期發揮作用，將纖維素短片段剪切成單個葡萄糖。

探索結構

纖維素酶

顯示方式： 靜態圖像

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纖維素酶使用一些分子技巧來使其功能更加有效。如上所述，纖維素酶通常具有與纖維素纖維表面結合的結構域或表面。與纖維素結合的部位的形狀也是量身定做的，以實現專門的功能：在Cel7A（PDB條目4c4c）中，幾個環狀物圍繞著纖維素聚合物，與一端的活性位點形成一個隧道。因此，Cel7A 能從纖維素纖維的末端裂解出小的雙醣片段。另一方面，Cel7B（內切酶EG-1，PDB條目1eg1）缺少這些環，它有一個開放的溝槽，可以與纖維素長鏈上的任何部位結合，使其能夠在纖維素鏈的中間裂解纖維素。圖中右側的放大圖顯示了另一種分子技巧。這些酶經常將一個糖環（這裡顯示為淺紅褐色）扭曲成一個不太穩定的排列。這種扭曲的作用是激活氧（紅色），從而在兩個谷氨酸（淺藍色）催化的裂解反應中將單醣連接在一起。點擊圖下方的按鈕，切換到互動圖像，以更詳細地查看這些結構。請注意，PDB條目4c4c的纖維素鏈與兩種蛋白質一起顯示。

進一步的討論議題

  1. 你可以使用PDBj搜索或RCSB PDB註釋瀏覽器找到其他纖維素酶結構：3.2.1.4（纖維素酶纖維素酶： PDBj / RCSB PDB ）或3.2.1.91（纖維素1,4-β-纖維素酶PDBj / RCSB PDB ）。
  2. 要看到連接Cel7A兩個結構域的靈活環路，請看由AlphaFold2預測的結構AF_AFP62694F1 。注意連接體的末端有一些用於靈活的脯氨酸和一些可能被糖基化的蘇氨酸和絲氨酸。
  3. 關於纖維素酶的科學的一點說明：有許多不同類型的纖維素酶，科學家喜歡對事物進行分類和命名。這就是為什麼同一種酶往往有幾個不同的名字。例如，Cel7A這個短名稱是基於纖維素酶家族中的廣泛分類，其中包括1,4-beta-D-葡聚醣纖溶酶I（1,4-beta-D-glucan cellobiohydrolase I）和纖維素1,4-beta纖溶酶（cellulose 1,4-beta cellobiosidase）和外切葡聚醣酶I（exoglucanase I）等長名稱，是指其從纖維素鏈末端裂解二糖單位的作用。

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本文是由RCSB PDB的PDB-101提供的《當月的分子》2023年5月的文章的中文翻譯。請參考我們的條款和條件頁面。

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