303: 烯醯輔酶 A 羧化酶/還原酶（Enoyl-CoA Carboxylases/Reductases）

Author: Janet Iwasa Translator: 于 健（PDBj）

來自土壤細菌Chitasatospora setae 的烯醯輔酶 A 羧化酶/還原酶（PDB 6OWE）是四聚體。作為電子供體的NADPH 顯示為橙色，底物烯酰-CoA 分子顯示為黃色。
來自土壤細菌Chitasatospora setae的烯醯輔酶 A 羧化酶/還原酶（PDB 6OWE）是四聚體。作為電子供體的NADPH 顯示為橙色，底物烯酰-CoA 分子顯示為黃色。 高質量的TIFF圖片可以從這裡獲得。

碳固定（carbon fixation）是一個重要的生物過程，它將二氧化碳（CO 2 ）這一含量極高但生物界無法獲取的分子轉化為醣類等有機化合物。大部分的碳固定是由植物和藻類透過1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（ Rubisco）完成。然而， 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶是一種相對緩慢且低效的酵素。這種低效促使藻類和植物在進化過程中進行了適應性調整，例如大量生產1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶並將其儲存在專門的細胞器（如蛋白核和葉綠體）中。 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶的低效率主要是由於它們對二氧化碳和氧氣（O 2 ）的親和力造成的，而這兩種物質在地球大氣中的濃度都很高。人們曾多次嘗試提高1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶的效率，但效果並不明顯。然而，植物和藻類並不是唯一能固定碳的生物。某些細菌和古細菌已經進化出不依賴1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶的其他碳固定途徑。對這些細菌和古細菌的研究可能會為我們建立人工合成系統來捕捉和固定大氣中的二氧化碳提供線索，這可能是減少大氣中二氧化碳的重要一步。

更有效的碳固定方法

最近發現的一組酵素稱為烯醯輔酶 A 羧化酶/還原酶（ enoyl-CoA Carboxylase/Reductase， ECR），存在於某些細菌和古細菌中，能以極快的速度催化碳固定。右圖所示的是一種在土壤細菌中發現的名為Kitasatospora setae的ECR（PDB 6OWE）。與1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶不同， ECR不接受O 2作為底物，因此不必考慮與CO 2的競爭。令人驚訝的是， ECR的反應速率比1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶高出10倍。最近的結構研究表明， ECR可作為同源四聚體發揮作用，每個亞基可與CO 2 、NADPH（作為輔助因子和電子供體）和底物分子（烯酰-CoA）結合。在碳固定過程中，氫化物（hydride，H-）從NADPH 轉移到底物分子。這一步驟提高了底物的反應性，使其能夠與結合的二氧化碳發生反應，形成新的產物（烷基-CoA酯，alkyl-coA ester）。

酶促同步化

是什麼原因使ECR在碳固定過程中具有非凡的速度和效率？ 最近的研究揭示了一種獨特的同步機制，它有助於快速催化：四聚體ECR被配置成"二聚體對"，每個亞基與其相鄰的亞基形成一個二聚體。然後，這兩個二聚體以"X"形狀排列並結合在一起。這種特殊的排列使它們能夠在催化循環中協同工作，上面的動畫展示了這個過程。在初始空狀態下（PDB 6NA3），酵素呈對稱排列，但當與NADPH（顯示為橘色） 結合時，四聚體會發生構象變化（PDB 6NA6）。每個二聚體的一個亞基以協調的方式關閉，精確地將底物（顯示為黃色）、NADPH 和二氧化碳（動畫中未顯示）定位在緊密靠近的位置，以進行碳固定（PDB 6NA4）。反應完成後， 亞基再次打開，釋放產物。這種釋放會觸發二聚體中另一個亞基的閉合，從而開始下一個催化反應。打開和關閉狀態之間的同步切換被認為與酶複合物的扭轉運動有關，扭轉運動有利於底物結合和產物釋放。 ECR與亞基的快速連鎖和同步化被認為是ECR效能優於1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶的一個重要因素。

探索結構

接近碳固定

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透過點擊"可互動的圖像" 按鈕並在不同影像之間切換，您可以探索ECR不同排列的結構，並詳細查看被認為參與二氧化碳結合的氨基酸殘基（顯示為紅紫色）以及參與調節酶同步性的氨基酸殘基（顯示為綠色）。

進一步的討論議題

  1. 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶被認為是地球上最豐富的酵素之一，植物和藻類利用它來固定二氧化碳。
  2. 藍藻也使用1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶，並在一個名為羧酶体（carboxysome）的細胞器中儲存多份酵素。閱讀連結文章中有關羧酶體和其他碳捕獲機制的更多資訊。
  3. 這項研究利用了時間分辨晶體學技術，這種技術也被用於研究其他快速催化反應的酶，如光激活蛋白（light activatable protein）。

參考文獻

  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《當月的分子》2025年3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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