一氧化碳脱氢酶

**一氧化碳脫氫酶**（英語：**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。

　
: 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。特別在厭氧微生物固定一氧化碳和二氧化碳的 Wood-Ljungdahl 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

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。

### 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。

### 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

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信息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（英語：dehydrogenase）
* 鐵硫簇（英語：Iron-sulfur cluster）
* 一氧化碳自養菌

## 參考資料

## 外部連結

* （英文）CODH／ACS 催化機理簡介