一氧化碳脱氢酶

title: 分类.
content: 一氧化碳脱氢酶可以被分为两大类:存在于需氧微生物中的Mo-Fe-黄素(flavin)酶类和存在于厌氧微生物中的Ni-Fe酶类。由于在这两类金属酶中,位于活性位点起关键作用的金属分别是钼(Mo)和镍(Ni),因此分别称这两类酶为Mo-CODH和Ni-CODH。Mo-CODH对CO有很高的亲和力, 适合于除去环境中痕量的一氧化碳气体;而就催化活性而言,Ni-CODH则是Mo-CODH的近1000倍。
title: Mo-CODH.
content: Mo-CODH存在于一类被称为一氧化碳自养菌(carboxydotrophs)的化能自养微生物中。此类细菌中的CODH是一类含Mo的铁硫黄素蛋白。与Ni-CODH相比,Mo-CODH对氧气不敏感。 在嗜温菌"Oligotropha carboxidovorans"和嗜热菌"Oligotropha thermocarboxydovorans"中,Mo-CODH具有相似的分子量(230 kDa – 310 kDa)和相同的亚基组成。  在一氧化碳自养菌中,除少量定位于细胞质外,大多数的Mo-CODH连接在细胞质膜的内表面上, 从而有利于其与同样连在内膜上的其生理条件下的电子受体——细胞色素b561之间进行电子传递。 在Mo-CODH中,Mo结合在molybdopterin胞嘧啶二核苷酸(MCD)辅因子上。序列分析显示Mo-CODH属于含Mo的羟化酶(hydroxylase)家族。 以下以研究较多的"O. carboxidovorans"中的Mo-CODH为例进行详述。
title: 亚基组成.
content: Mo-CODH由L(88.7 kDa,809个氨基酸)、M(30.2 kDa,288个氨基酸)、S(17.8 kDa,166个氨基酸)三个亚基组成。这三个亚基结合在一起形成“LMS复合物”,且LMS复合物两两结合形成(LMS),即Mo-CODH的天然活性形式为二聚体。 L亚基又被称为molybdoprotein,含有Mo和与之结合的MCD分子,其中Mo离子与另一金属离子Cu形成活性中心的[CuSMoO]簇;M亚基为黄素蛋白(flavoprotein),其结合有黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD);S亚基属于铁硫蛋白,结合了两个[2Fe-2S]簇。  含有两个[2Fe-2S]簇的S亚基从结构上可以被分为N端和C端两个结构域,这两个结构域各结合了一个[2Fe-2S]簇。两个铁硫簇之间的距离约为12Å,在可以进行电子传递的最长距离(14 Å)之内。结合在C端结构域,靠近活性中心的铁硫簇被称为铁硫簇I([2Fe-2S] I),其被包埋在蛋白内部。结合在N端结构域远离活性中心的铁硫簇被称为铁硫簇II([2Fe-2S] II)。铁硫簇II位于S亚基和M亚基结合面上,暴露在溶剂环境中,距离FAD分子的异咯嗪环(isoalloxazine ring)大约9 Å,因此其功能被认为是在铁硫簇I和FAD分子之间传递电子。 这两个结构域的折叠类型和结合铁硫簇II的氨基酸序列普遍存在于其他含Mo的羟化酶家族成员中。  M亚基由N端、中间和C端三个结构域组成。其FAD分子的结合位点为两段特征性的“双甘氨酸(double-glycine)”序列,在含Mo的羟化酶家族中非常保守。 其中一个双甘氨酸序列位于N端结构域的一段loop上,与FAD分子上的焦磷酸根相互作用。另一个双甘氨酸序列则位于中间结构域的一个小段α螺旋上与FAD分子相互作用。FAD分子结合在N端和中间结构域之间的缝隙中,且FAD的结合需要通过M亚基与L和S亚基作用所产生的构象变化来实现,游离的M亚基没有FAD的结合活性。 M亚基作为铁硫簇II与细胞色素b561之间电子传递的中间体,一方面接受来自铁硫簇II的电子,另一方面向细胞色素b561提供电子。  分子量最大的L亚基不仅包含有活性位点,也在LMS复合物形成及Mo-CODH二体化中起主要作用。L亚基含有N端结构域和C端结构域,而Mo原子就定位在这两个结构域的结合面上。MCD辅因子的一端连接Mo的部分与活性中心的[CuSMoO2]簇一起结合在N端结构域的凹槽中;而辅因子的另一端则插入C端结构域的裂缝中。L亚基的N端结构域与M和S亚基相互作用以形成LMS复合物;而C端结构域则主要参与形成Mo-CODH二体结构。
title: 活性位点.
content: Mo-CODH的活性位点位于L亚基,并被包埋于蛋白质内部,但从外部可以通过一个约17Å长的通道到达活性位点。这一通道由疏水残基构成,从而允许CO分子进入而防止极性溶剂分子(如水分子)进入。最初的研究认为活性位点的Mo与三个氧原子形成配位,且存在硒代巯基(SeH)共价连接在氨基酸残基Cys388上。 然而随后的研究表明,Mo-CODH的活性位点是一个Cu-Mo金属簇,其包含有一个Cu离子和一个[MoO],Cu离子和Mo离子之间通过一个配位硫原子(μS,又称为硫桥sulfido)来连接,结合在Cys388的S原子上将此金属簇[CuSMoO]与L亚基共价连接的是Cu而不是Se。 而MCD是通过其上的两个S原子与Mo离子形成配位连接。这种由Mo和Cu两种金属组成的双核金属簇非常独特,因为所有已知的含molybdopterin或MCD的Mo金属蛋白中都是单核的。  无论Mo-CODH处在还原态还是氧化态,活性位点的Cu离子总是保持+I价,而连接Mo离子的MCD分子的构象也没有发生明显的变化。在空气中,Mo-CODH处于氧化态,此时Mo离子为+VI价,位于Mo离子与MCD的两个配位硫原子所形成平面垂直方向上的氧配基O与Mo离子之间形成双键连接;而与Mo离子配位的另一个氧配基O则有可能与之形成单键或双键。 与氧化态的结构相比,还原态中Cu-Mo距离和Mo-O距离都有所延长。结合CO时,活性位点很可能是处于非常短暂的中间态,难以捕捉,因此研究者利用异腈基团与活性位点结合的结构来模拟中间态。由研究结果推测CO应该连接在Cu离子上而不直接与Mo连接。  在Mo-CODH二聚体中,由于两个活性位点的间距超过了可以直接进行电子传递的距离,而且没有辅因子位于它们之间,两者之间不可能进行电子传递;因此Mo-CODH二聚体中的两个单体很可能可以独立进行催化活动,即每个单体都是一个完整的催化单位。
title: 催化机理.
content: 通过对不同状态下活性位点的结构变化,可以推测整个催化过程:  处于氧化态的Mo(+VI价)离子与MCD上的两个硫原子以及O和O形成扭曲的金字塔形的四配位结构;当CO结合上后,CO与硫桥、O以及Cu离子连接并处于同一平面上,Mo离子被还原为+IV价,Mo与O之间距离缩短,可能形成了三键连接;在HO分子的攻击下,CO和H被释放出来,Mo与O之间回到双键连接,而O变为OH基团与Mo离子之间形成单键连接,整个活性中心处于还原态;将两个电子传递给铁硫簇II后,活性中心又重新回到氧化态,从而完成一轮催化过程。
title: 抑制作用.
content: Mo-CODH很容易被氰化物所抑制,这种抑制主要是通过氰化物与[CuSMoO2]簇的硫桥和Cu离子反应生成游离的硫氰离子(SCN-)和氰化铜(CuCN)来使活性位点失活。
title: Ni-CODH.
content: Ni-CODH广泛存在于以一氧化碳为碳源和能源的厌氧微生物中,如乙酸生成细菌(acetogenic bacteria)、光养细菌(phototrophic bacteria)、氢气生成细菌(hydrogenogenic bacteria)、硫酸还原细菌和古菌(sulfate-reducing bacteria and archaea)以及甲烷生成古菌(methangenic archaea)。  与Mo-CODH相比,Ni-CODH在活性位点处的关键金属为Ni,负责电子传递的铁硫簇为[4Fe-4S]而非[2Fe-2S],且没有发现有像Mo-CODH中的FAD和MCD辅因子,整体结构上也没有相似性。除此之外,不同来源的Ni-CODH差别很大:既有单功能的一氧化碳脱氢酶只负责催化CO的氧化;又有双功能酶,即同时具有一氧化碳脱氢酶和乙酰辅酶A合成酶(ACS)的活性,生理状态下需要Ni-CODH与ACS结合共同发挥功能。因此,又常常以CODH/ACS复合物的名称来代替Ni-CODH。与Mo-CODH相似的是,CODH/ACS也需要形成二聚体来发挥催化作用。
title: 分类.
content: 基于催化活性、代谢功能和蛋白性质及组成,可将不同的CODH/ACS分为四类: 虽然把CODH/ACS家族分为这样四类与利用生物信息学进行的序列分析的结果相符合; 但对来自"M. thermophila"的CODH/ACS(第二类酶)进行研究发现,乙酰辅酶A的合成和分解都是由相同的CODH/ACS来完成, 这说明这一分类的依据和方法还需进一步改进。
title: 亚基组成.
content: 这四类酶的亚基组成也有较大差别。 第一/二类CODH/ACS都由五个不同的亚基(αβγδε)组成。第三类CODH/ACS则由α和β两个亚基组成,其中α亚基与第一/二类中的β亚基同源,但α亚基多了N端30 kDa的一段序列;而其β亚基与第一/二类中的α亚基同源,但同源性较差,且相比之下,β亚基的分子量要小一些。虽然第三类的来源菌中也存在与第一/二类CODH/ACS对应的γ和δ亚基,但不存在ε亚基的同源蛋白,且γ和δ亚基不参与CODH/ACS的组成,而是形成异二聚体发挥甲基传递作用。第四类CODH/ACS中只含有与第三类中β亚基具有很高同源性的单个蛋白。
title: 活性位点.
content: 由于除了第四类CODH/ACS外,其他类酶都是双功能,甚至多功能酶,从而具有两个或多个活性位点。其中,两个核心反应,即CO的氧化和乙酰辅酶A的合成,对应的活性位点金属簇分别为C簇 和A簇。其中,C簇位于α亚基(第三类CODH/ACS中为β亚基),其组成为[Ni-4Fe-4S]或[Ni-4Fe-5S]; 而A簇位于β亚基(第三类CODH/ACS中为α亚基)。A簇和C簇之间通过一个疏水通道相连,从而可以相互传递催化产物。 此外,α亚基(第三类CODH/ACS中为β亚基)二聚体中还含有5-7个铁硫簇[4Fe-4S],负责电子传递。
title: 催化机理.
content: 负责CO的氧化的活性位点C簇的催化机制主要由两步反应组成。 第一步,CO被氧化,而C簇被还原;第二步,电子从C簇传递到蛋白外的电子受体,如ferredoxin蛋白,C簇回到初始状态。在这一过程,C簇中存在四种氧化还原态:C,C,C和C。其中,处于氧化状态(Ni-Fe1)的Cox在获得一个电子之后转化为C。C被证明是与CO和OH基团结合时C簇的状态;而C出现在C之后,此时CO可能已被氧化为CO,并释放出H离子。这步反应可能是由OH基团攻击连接在Ni上的CO引发,因为在C簇周围有多个碱性残基(包括一个赖氨酸和多个组氨酸),使结合在Fe1上的水分子的pKa值显著降低,从而使水分子转变为活性的OH基团,对CO进行攻击。此外,在C簇附近还有一个保守的天冬氨酸,可以与组氨酸形成氢键连接,促进此酸碱反应的发生。反应生成的H离子通过组氨酸形成的质子通道传递到外部溶剂中。CO被氧化为CO后,C簇接受两个电子从C转变为C,随后两个电子一个接一个地被传递到B簇。传走第一个电子后,C簇转化为中间态C;两个电子都传到B簇后,C簇又重新转化为C,从而完成一次催化循环。

Summary: 一氧化碳脱氢酶(英语:carbon monoxide dehydrogenase,缩写为CODH)是一种存在于许多需氧和厌氧微生物中的一类脱氢酶,其催化的是一氧化碳(CO)氧化为二氧化碳(CO)的反应或其逆反应,在这些微生物的代谢途径中扮演着关键的角色。 不同来源的一氧化碳脱氢酶具有不同的结构和催化机理。需氧细菌中的一氧化碳脱氢酶是一类含钼(Mo)金属蛋白,需氧细菌利用它们在呼吸作用中氧化一氧化碳来获得能量。而在厌氧微生物,包括厌氧细菌和古菌中,其属于含镍(Ni)金属蛋白,在不同种属的微生物中发挥着不同的作用。特别在厌氧微生物固定一氧化碳和二氧化碳的Wood-Ljungdahl代谢途径中,一氧化碳脱氢酶可以与乙酰辅酶A合成酶(同为镍蛋白)结合形成双功能酶,共同发挥作用,将一氧化碳和二氧化碳转化为重要的代谢中间物乙酰辅酶A。

Monoxyde de carbone déshydrogénase: La CO déshydrogénase (CODH) est une oxydoréductase qui catalyse la réaction :