一氧化碳脫氫酶

一氧化碳脫氫酶（carbon monoxide dehydrogenase，縮寫為CODH）是一種存在於許多需氧和厭氧微生物中的一類脫氫酶，其催化的是一氧化碳（CO）氧化為二氧化碳（CO2）的反應或其逆反應，在這些微生物的代謝途徑中扮演著關鍵的角色。

化學式為

CO + H2O CO2 + 2 H+ + 2 e−

不同來源的一氧化碳脫氫酶具有不同的結構和催化機理。需氧細菌中的一氧化碳脫氫酶是一類含鉬（Mo）金屬蛋白，需氧細菌利用它們在呼吸作用中氧化一氧化碳來獲得能量。而在厭氧微生物，包括厭氧細菌和古菌中，其屬於含鎳（Ni）金屬蛋白，在不同種屬的微生物中發揮著不同的作用。特別在產醋酸菌和產甲烷菌固定二氧化碳的伍德-隆達爾代謝途徑中，一氧化碳脫氫酶可以與乙醯輔酶A合成酶（同為鎳蛋白）結合形成雙功能酶，共同發揮作用，將一氧化碳和二氧化碳轉化為重要的代謝中間物乙醯輔酶A。

由於一氧化碳脫氫酶能夠高效地催化對動物和人體有很高毒性的一氧化碳氧化為二氧化碳，因此對於其催化機理的研究有助於治理環境中的一氧化碳污染。

## 分類

一氧化碳脫氫酶可以被分為兩大類：存在於需氧微生物中的Mo-Fe-黃素（flavin）酶類和存在於厭氧微生物中的Ni-Fe酶類。由於在這兩類金屬酶中，位於活性位點起關鍵作用的金屬分別是鉬（Mo）和鎳（Ni），因此分別稱這兩類酶為Mo-CODH和Ni-CODH。Mo-CODH對CO有很高的親和力，適合於除去環境中痕量的一氧化碳氣體；而就催化活性而言，Ni-CODH則是Mo-CODH的近1000倍。

## Mo-CODH

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Mo-CODH存在於一類被稱為一氧化碳自養菌（carboxydotrophs）的化能自養微生物中。此類細菌中的CODH是一類含Mo的鐵硫黃素蛋白。與Ni-CODH相比，Mo-CODH對氧氣不敏感。在嗜溫菌Oligotropha carboxidovorans和嗜熱菌Oligotropha thermocarboxydovorans中，Mo-CODH具有相似的分子量（230 kDa – 310 kDa）和相同的亞基組成。

在一氧化碳自養菌中，除少量定位於細胞質外，大多數的Mo-CODH連接在細胞質膜的內表面上，從而有利於其與同樣連在內膜上的其生理條件下的電子受體——細胞色素b561之間進行電子傳遞。在Mo-CODH中，Mo結合在molybdopterin胞嘧啶二核苷酸（MCD）輔因子上。序列分析顯示Mo-CODH屬於含Mo的羥化酶（hydroxylase）家族。以下以研究較多的O. carboxidovorans中的Mo-CODH為例進行詳述。

### 亞基組成

Mo-CODH由L（88.7 kDa，809個胺基酸）、M（30.2 kDa，288個胺基酸）、S（17.8 kDa，166個胺基酸）三個亞基組成。這三個亞基結合在一起形成「LMS複合物」，且LMS複合物兩兩結合形成（LMS）2，即Mo-CODH的天然活性形式為二聚體。L亞基又被稱為molybdoprotein，含有Mo和與之結合的MCD分子，其中Mo離子與另一金屬離子Cu形成活性中心的CuSMoO2簇；M亞基為黃素蛋白（flavoprotein），其結合有黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）；S亞基屬於鐵硫蛋白，結合了兩個2Fe-2S簇。

含有兩個2Fe-2S簇的S亞基從結構上可以被分為N端和C端兩個結構域，這兩個結構域各結合了一個2Fe-2S簇。兩個鐵硫簇之間的距離約為12Å，在可以進行電子傳遞的最長距離（14 Å）之內。結合在C端結構域，靠近活性中心的鐵硫簇被稱為鐵硫簇I（2Fe-2S I），其被包埋在蛋白內部。結合在N端結構域遠離活性中心的鐵硫簇被稱為鐵硫簇II（2Fe-2S II）。鐵硫簇II位於S亞基和M亞基結合面上，暴露在溶劑環境中，距離FAD分子的異咯嗪環（isoalloxazine ring）大約9 Å，因此其功能被認為是在鐵硫簇I和FAD分子之間傳遞電子。這兩個結構域的摺疊類型和結合鐵硫簇II的胺基酸序列普遍存在於其他含Mo的羥化酶家族成員中。

M亞基由N端、中間和C端三個結構域組成。其FAD分子的結合位點為兩段特徵性的「雙甘氨酸（double-glycine）」序列，在含Mo的羥化酶家族中非常保守。其中一個雙甘氨酸序列位於N端結構域的一段loop上，與FAD分子上的焦磷酸根相互作用。另一個雙甘氨酸序列則位於中間結構域的一個小段α螺旋上與FAD分子相互作用。FAD分子結合在N端和中間結構域之間的縫隙中，且FAD的結合需要通過M亞基與L和S亞基作用所產生的構象變化來實現，游離的M亞基沒有FAD的結合活性。M亞基作為鐵硫簇II與細胞色素b561之間電子傳遞的中間體，一方面接受來自鐵硫簇II的電子，另一方面向細胞色素b561提供電子。

分子量最大的L亞基不僅包含有活性位點，也在LMS複合物形成及Mo-CODH二體化中起主要作用。L亞基含有N端結構域和C端結構域，而Mo原子就定位在這兩個結構域的結合面上。MCD輔因子的一端連接Mo的部分與活性中心的CuSMoO2簇一起結合在N端結構域的凹槽中；而輔因子的另一端則插入C端結構域的裂縫中。L亞基的N端結構域與M和S亞基相互作用以形成LMS複合物；而C端結構域則主要參與形成Mo-CODH二體結構。

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### 活性位點

Mo-CODH的活性位點位於L亞基，並被包埋於蛋白質內部，但從外部可以通過一個約17Å長的通道到達活性位點。這一通道由疏水殘基構成，從而允許CO分子進入而防止極性溶劑分子（如水分子）進入。最初的研究認為活性位點的Mo與三個氧原子形成配位，且存在硒代巰基（SeH）共價連接在胺基酸殘基Cys388上。然而隨後的研究表明，Mo-CODH的活性位點是一個Cu-Mo金屬簇，其包含有一個Cu離子和一個MoO2，Cu離子和Mo離子之間通過一個配位硫原子（μS，又稱為硫橋sulfido）來連接，結合在Cys388的Sγ原子上將此金屬簇CuSMoO2與L亞基共價連接的是Cu而不是Se。而MCD是通過其上的兩個S原子與Mo離子形成配位連接。這種由Mo和Cu兩種金屬組成的雙核金屬簇非常獨特，因為所有已知的含molybdopterin或MCD的Mo金屬蛋白中都是單核的。

無論Mo-CODH處在還原態還是氧化態，活性位點的Cu離子總是保持+I價，而連接Mo離子的MCD分子的構象也沒有發生明顯的變化。在空氣中，Mo-CODH處於氧化態，此時Mo離子為+VI價，位於Mo離子與MCD的兩個配位硫原子所形成平面垂直方向上的氧配基Oa與Mo離子之間形成雙鍵連接；而與Mo離子配位的另一個氧配基Ob則有可能與之形成單鍵或雙鍵。與氧化態的結構相比，還原態中Cu-Mo距離和Mo-Ob距離都有所延長。結合CO時，活性位點很可能是處於非常短暫的中間態，難以捕捉，因此研究者利用異腈基團與活性位點結合的結構來模擬中間態。由研究結果推測CO應該連接在Cu離子上而不直接與Mo連接。

在Mo-CODH二聚體中，由於兩個活性位點的間距超過了可以直接進行電子傳遞的距離，而且沒有輔因子位於它們之間，兩者之間不可能進行電子傳遞；因此Mo-CODH二聚體中的兩個單體很可能可以獨立進行催化活動，即每個單體都是一個完整的催化單位。

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### 催化機理

通過對不同狀態下活性位點的結構變化，可以推測整個催化過程：

處於氧化態的Mo（+VI價）離子與MCD上的兩個硫原子以及Oa和Ob形成扭曲的金字塔形的四配位結構；當CO結合上後，CO與硫橋、Ob以及Cu離子連接並處於同一平面上，Mo離子被還原為+IV價，Mo與Oa之間距離縮短，可能形成了三鍵連接；在H2O分子的攻擊下，CO2和H+被釋放出來，Mo與Oa之間回到雙鍵連接，而Ob變為OH基團與Mo離子之間形成單鍵連接，整個活性中心處於還原態；將兩個電子傳遞給鐵硫簇II後，活性中心又重新回到氧化態，從而完成一輪催化過程。

### 抑制作用

Mo-CODH很容易被氰化物所抑制，這種抑制主要是通過氰化物與CuSMoO2簇的硫橋和Cu離子反應生成游離的硫氰離子（SCN-）和氰化銅（CuCN）來使活性位點失活。

## Ni-CODH

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Ni-CODH廣泛存在於以一氧化碳為碳源和能源的厭氧微生物中，如乙酸生成細菌（acetogenic bacteria）、光養細菌（phototrophic bacteria）、氫氣生成細菌（hydrogenogenic bacteria）、硫酸還原細菌和古菌（sulfate-reducing bacteria and archaea）以及甲烷生成古菌（methangenic archaea）。

與Mo-CODH相比，Ni-CODH在活性位點處的關鍵金屬為Ni，負責電子傳遞的鐵硫簇為4Fe-4S而非2Fe-2S，且沒有發現有像Mo-CODH中的FAD和MCD輔因子，整體結構上也沒有相似性。除此之外，不同來源的Ni-CODH差別很大：既有單功能的一氧化碳脫氫酶只負責催化CO的氧化；又有雙功能酶，即同時具有一氧化碳脫氫酶和乙醯輔酶A合成酶（ACS）的活性，生理狀態下需要Ni-CODH與ACS結合共同發揮功能。因此，又常常以CODH/ACS複合物的名稱來代替Ni-CODH。與Mo-CODH相似的是，CODH/ACS也需要形成二聚體來發揮催化作用。

### 分類

基於催化活性、代謝功能和蛋白性質及組成，可將不同的CODH/ACS分為四類：

- 第一類是存在於專性化能自養的甲烷生成古菌的CODH/ACS，負責直接利用CO2和氫氣（H2）來合成乙醯輔酶A。
- 第二類酶則負責與第一類相反的反應，即將乙醯輔酶A分解為CO2和甲烷（CH4），其主要存在於利用乙酸的甲烷生成古菌和硫酸還原菌中。
- 第三類CODH/ACS發現存在於乙酸生成細菌中，其作用與第一類酶相同，只是以丙酮酸鹽作為CO2和H2的來源，並參與Wood-Ljungdahl途徑。
- 第四類酶是一類單功能酶，只負責催化CO的氧化。

雖然把CODH/ACS家族分為這樣四類與利用生物資訊學進行的序列分析的結果相符合；但對來自M. thermophila的CODH/ACS（第二類酶）進行研究發現，乙醯輔酶A的合成和分解都是由相同的CODH/ACS來完成，這說明這一分類的依據和方法還需進一步改進。

### 亞基組成

這四類酶的亞基組成也有較大差別。第一/二類CODH/ACS都由五個不同的亞基（αβγδε）組成。第三類CODH/ACS則由α和β兩個亞基組成，其中α亞基與第一/二類中的β亞基同源，但α亞基多了N端30 kDa的一段序列；而其β亞基與第一/二類中的α亞基同源，但同源性較差，且相比之下，β亞基的分子量要小一些。雖然第三類的來源菌中也存在與第一/二類CODH/ACS對應的γ和δ亞基，但不存在ε亞基的同源蛋白，且γ和δ亞基不參與CODH/ACS的組成，而是形成異二聚體發揮甲基傳遞作用。第四類CODH/ACS中只含有與第三類中β亞基具有很高同源性的單個蛋白。

### 活性位點

由於除了第四類CODH/ACS外，其他類酶都是雙功能，甚至多功能酶，從而具有兩個或多個活性位點。其中，兩個核心反應，即CO的氧化和乙醯輔酶A的合成，對應的活性位點金屬簇分別為C簇和A簇。其中，C簇位於α亞基（第三類CODH/ACS中為β亞基），其組成為Ni-4Fe-4S或Ni-4Fe-5S；而A簇位於β亞基（第三類CODH/ACS中為α亞基）。A簇和C簇之間通過一個疏水通道相連，從而可以相互傳遞催化產物。此外，α亞基（第三類CODH/ACS中為β亞基）二聚體中還含有5-7個鐵硫簇4Fe-4S，負責電子傳遞。

### 催化機理

負責CO的氧化的活性位點C簇的催化機制主要由兩步反應組成。第一步，CO被氧化，而C簇被還原；第二步，電子從C簇傳遞到蛋白外的電子受體，如ferredoxin蛋白，C簇回到初始狀態。在這一過程，C簇中存在四種氧化還原態：Cox，Cred1，Cint和Cred2。其中，處於氧化狀態（Ni2+-Fe13+）的Cox在獲得一個電子之後轉化為Cred1。Cred1被證明是與CO和OH基團結合時C簇的狀態；而Cred2出現在Cred1之後，此時CO可能已被氧化為CO2，並釋放出H+離子。這步反應可能是由OH基團攻擊連接在Ni上的CO引發，因為在C簇周圍有多個鹼性殘基（包括一個賴氨酸和多個組氨酸），使結合在Fe1上的水分子的pKa值顯著降低，從而使水分子轉變為活性的OH基團，對CO進行攻擊。此外，在C簇附近還有一個保守的天冬氨酸，可以與組氨酸形成氫鍵連接，促進此酸鹼反應的發生。反應生成的H+離子通過組氨酸形成的質子通道傳遞到外部溶劑中。CO被氧化為CO2後，C簇接受兩個電子從Cred1轉變為Cred2，隨後兩個電子一個接一個地被傳遞到B簇。傳走第一個電子後，C簇轉化為中間態Cint；兩個電子都傳到B簇後，C簇又重新轉化為Cred1，從而完成一次催化循環。

## 參見

- 脫氫酶（dehydrogenase）
- 鐵硫簇（Iron-sulfur cluster）
- 一氧化碳自養菌