303: 烯酰辅酶 A 羧化酶/还原酶（Enoyl-CoA Carboxylases/Reductases）

Author: Janet Iwasa Translator: 于 健（PDBj）

来自土壤细菌 Chitasatospora setae 的 烯酰辅酶 A 羧化酶/还原酶（PDB 6OWE）是四聚体。作为电子供体的 NADPH 显示为橙色，底物烯酰-CoA 分子显示为黄色。
来自土壤细菌 Chitasatospora setae 的 烯酰辅酶 A 羧化酶/还原酶（PDB 6OWE）是四聚体。作为电子供体的 NADPH 显示为橙色，底物烯酰-CoA 分子显示为黄色。 高质量的TIFF图片可以从这里获得。

碳固定（carbon fixation）是一个重要的生物过程，它将二氧化碳（CO2）这一含量极高但生物界无法获取的分子转化为糖类等有机化合物。大部分碳固定是由植物和藻类通过1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco）完成的。然而，1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶是一种相对缓慢和低效的酶。这种低效促使藻类和植物在进化过程中进行了适应性调整，如大量生产1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶并将其储存在专门的细胞器（如蛋白核和叶绿体）中。1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶的低效率主要是由于它们对二氧化碳和氧气（O2）的亲和力造成的，而这两种物质在地球大气中的浓度都很高。人们曾多次尝试提高1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶的效率，但效果并不明显。然而，植物和藻类并不是唯一能固定碳的生物。某些细菌和古细菌已经进化出不依赖1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶的其他碳固定途径。对这些细菌和古细菌的研究可能会为我们构建人工合成系统来捕获和固定大气中的二氧化碳提供线索，这可能是减少大气中二氧化碳的重要一步。

更有效的碳固定方法

最近发现的一组酶被称为烯酰辅酶 A 羧化酶/还原酶（enoyl-CoA Carboxylase/Reductase，ECR），存在于某些细菌和古细菌中，能以极快的速度催化碳固定。右图所示的是一种在土壤细菌中发现的名为Kitasatospora setae的ECR（PDB6OWE）。与1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶不同，ECR不接受O2作为底物，因此不必考虑与CO2的竞争。令人惊讶的是，ECR的反应速率比1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶高出10倍。最近的结构研究表明，ECR可作为同源四聚体发挥作用，每个亚基可与CO2、NADPH（作为辅助因子和电子供体）和底物分子（烯酰-CoA）结合。在碳固定过程中，氢化物（hydride，H-）从 NADPH 转移到底物分子。这一步骤提高了底物的反应性，使其能够与结合的二氧化碳发生反应，形成新的产物（烷基-CoA酯，alkyl-coA ester）。

酶促同步化

是什么原因使ECR在碳固定过程中具有非凡的速度和效率？ 最近的研究揭示了一种独特的同步机制，它有助于快速催化：四聚体 ECR被配置成 "二聚体对"，每个亚基与其相邻的亚基形成一个二聚体。然后，这两个二聚体以 "X"形状排列并结合在一起。这种特殊的排列使它们能够在催化循环中协同工作，上面的动画展示了这一过程。在初始空状态下（PDB6NA3），酶呈对称排列，但当与 NADPH（显示为橙色） 结合时，四聚体发生构象变化（PDB6NA6）。每个二聚体的一个亚基以协调的方式关闭，精确地将底物（显示为黄色）、NADPH 和二氧化碳（动画中未显示）定位在紧密靠近的位置，以进行碳固定（PDB6NA4）。反应完成后，亚基再次打开，释放产物。这种释放会触发二聚体中另一个亚基的闭合，从而开始下一个催化反应。打开和关闭状态之间的同步切换被认为与酶复合物的扭转运动有关，扭转运动有利于底物结合和产物释放。ECR与亚基的快速连锁和同步化被认为是ECR性能优于1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶的一个重要因素。

探索结构

接近碳固定

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通过点击 "可交互的图像" 按钮并在不同图像之间切换，您可以探索ECR不同排列的结构，并详细查看被认为参与二氧化碳结合的氨基酸残基（显示为红紫色）以及参与调节酶同步性的氨基酸残基（显示为绿色）。

进一步的讨论议题

  1. 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶被认为是地球上最丰富的酶之一，植物和藻类利用它来固定二氧化碳。
  2. 蓝藻也使用1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶，并在一个名为羧酶体（carboxysome）的细胞器中储存多份酶。阅读链接文章中有关羧酶体和其他碳捕获机制的更多信息。
  3. 这项研究利用了时间分辨晶体学技术，这种技术也被用于研究其他快速催化反应的酶，如光激活蛋白（light activatable protein）。

参考文献

  1. 6OWE Stoffel GMM, Saez DA, DeMirci H, Vögeli B, Rao Y, Zarzycki J, Yoshikuni Y, Wakatsuki S, Vöhringer-Martinez E, Erb TJ. 2019 Four amino acids define the CO2 binding pocket of enoyl-CoA carboxylases/reductases. Proc Natl Acad Sci U S A. 2019 Jul 9;116(28) 13964-13969
  2. 6NA3、6NA4、6NA5、6NA6 DeMirci H, Rao Y, Stoffel GM, Vögeli B, Schell K, Gomez A, Batyuk A, Gati C, Sierra RG, Hunter MS, Dao EH, Ciftci HI, Hayes B, Poitevin F, Li PN, Kaur M, Tono K, Saez DA, Deutsch S, Yoshikuni Y, Grubmüller H, Erb TJ, Vöhringer-Martinez E, Wakatsuki S. 2022 Intersubunit Coupling Enables Fast CO2-Fixation by Reductive Carboxylases. ACS Cent Sci. 2022 Aug 24;8(8) 1091-1101
  3. Schwander T, Schada von Borzyskowski L, Burgener S, Cortina NS, Erb TJ. 2016 A synthetic pathway for the fixation of carbon dioxide in vitro. Science Nov 18;354(6314) 900-904

本文是由RCSB PDB的PDB-101提供的《当月的分子》2025年3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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