297: 碳捕獲機制（Carbon Capture Mechanisms）

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

碳酸氫鹽轉運體BicA。膜的大致位置顯示為灰色。
碳酸氫鹽轉運體BicA。膜的大致位置顯示為灰色。 高質量的TIFF圖片可以從這裡獲得。

在現代農業中，人們採用各種方法來提高作物產量，即作為糧食，也作為生物燃料來源。改善農業的具體措施包括提供良好的營養、採用防治病蟲害的方法以及提供充足的水。然而，要支持不斷增長的世界人口，限制導致氣候變遷的二氧化碳的積累，還需要能夠提高農業生產力的新方法。科學家正在研究光合作用的基本機制，看看是否有改進的空間。促進光合作用的方法之一是確保二氧化碳充足。

碳專家

藍藻是捕捉二氧化碳用於光合作用的專家。這些簡單的光合細菌在生命演化的早期就已出現，多年來在全球環境變化的過程中，它們不得不面對二氧化碳來源不斷減少的情況。如今，藍綠藻和其他浮游植物能固定地球上約一半的二氧化碳，而且效率極高。它們做到這一點的方法之一是利用一些互補的分子機制，有選擇性地將二氧化碳輸送到1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco，固定二氧化碳的酵素）。這些機制可以將1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶活性位點周圍的二氧化碳濃度提高1000 倍。目前，研究人員正致力於在農作物中引入同樣的機制，以提高它們的產量。

碳酸氫鹽的運輸

藍綠藻最初使用的碳捕獲機制很簡單：碳酸氫鹽被直接輸送到細胞中。在湖泊和海洋中，大部分二氧化碳會與水分子反應，形成可溶性的碳酸氫根離子（bicarbonate ion）。碳酸氫鹽轉運體（bicarbonate transporter）將碳酸氫鹽離子轉運到細胞質中，然後再轉變回二氧化碳。藍藻利用多種碳酸氫鹽轉運體。這裡顯示的BicA（PDB ID 6ki1, 6ki2）和下面互動式可操作影像中顯示的SbtA都使用鈉離子進行轉運。

含碳

(左圖）羧酶體的電子斷層圖。 (右圖）藍藻羧酶體1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶和碳酸酐酶的原子結構。
(左圖）羧酶體的電子斷層圖。 (右圖）藍藻羧酶體1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶和碳酸酐酶的原子結構。 高質量的TIFF圖片可以從這裡獲得。

藍藻利用羧酶體（carboxysomes）將二氧化碳集中到利用二氧化碳的酵素附近。羧酶體是一種大型蛋白質外殼，類似於病毒外殼，可在EMD-14337的電子斷層圖中看到。它含有 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶 (PDB ID 7yyo)、 碳酸酐酶( carbonic anhydrase, PDB ID 8thm) 和其他一些維持所有功能所需的酵素。一旦碳酸氫鹽進入羧酶體，就會被碳酸酐酶快速轉化為二氧化碳。 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶則位於附近，準備在二氧化碳擴散出去之前將其固定。

碳捕獲

NDH-1MS，二氧化碳濃度模組顯示為紅紫色。膜的大致位置顯示為灰色。
NDH-1MS，二氧化碳濃度模組顯示為紅紫色。膜的大致位置顯示為灰色。 高質量的TIFF圖片可以從這裡獲得。

藍綠藻也使用改良的NDH-1 呼吸複合體（NDH-1MS）來捕獲細胞內的碳；NDH-1MS（PDB ID 6tjv）內有一個CO2-濃縮模組模組，它作為碳酸酐酶將二氧化碳轉化為碳酸氫鹽。二氧化碳可以自由通過細胞膜，但碳酸氫鹽卻不能。因此，NDH-1MS 能將二氧化碳轉化為碳酸氫鹽，並將其截留在細胞內。然後，碳酸氫鹽擴散到羧基體，重新轉化為二氧化碳，用於光合作用。

探索結構

碳酸氫鹽轉運體

顯示方式: 静止图像

若要切換到有互動控制的頁面，請點選圖表下方的按鈕。如果載入沒有開始，請嘗試點擊圖表。

碳酸氫鹽轉運體透過調節為光合作用提供適量的碳。藍藻轉運體SbtA 受相關蛋白SbtB 的調控。從圖中上部顯示的PDB ID 7egl的結構可以看出，當需要碳酸氫鹽時，SbtB 的環狀部分不再採用固定結構，SbtA 的轉運通道打開並可以通過。然而，當AMP 與SbtB 結合時（圖中底部，PDB ID 7cyf或7egk），這個T 型環會與SbtA 結合，阻止通道運作。點擊圖表底部的按鈕，切換到互動式可操作圖像，詳細查看這兩種結構。

進一步的討論議題

  1. 羧酶體的完整原子結構尚未闡明，PDB ID 8wxb僅顯示了一個頂點的結構，PDB ID 8b12顯示了迷你羧酶體的結構。
  2. 高等植物沒有這種碳捕獲機制，但綠藻有。例如，PDB ID 6bhp中的結構顯示了藻類輸送二氧化碳的通道。

參考文獻

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本文是由RCSB PDB的PDB-101提供的《當月的分子》2024年9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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