3-羥基丙酸途徑的研究進展

3-羥基丙酸途徑的研究進展

碳是生命形式的重要因素。盡管CO或甲烷可被少數(shù)微生物利用,但是絕大多數(shù)生物體內(nèi)的碳來源于CO2,是由自養(yǎng)生物的CO2固定途徑得到。雖然許多微生物在回補反應(yīng)中能同化或固定CO2,但只有自養(yǎng)型微生物能利用CO2作為它們的唯一碳源或主要碳源,因此從某種意義上來說,CO2的自養(yǎng)固定過程對于生命體是至關(guān)重要的,是地球上最重要的生命過程。自然界中存在多種CO2固定的途徑,其中最主要的是卡爾文循環(huán),又稱為還原戊糖磷酸循環(huán)。它廣泛存在于綠色植物、藍細菌、絕大多數(shù)光合細菌和全部好氧的化能自養(yǎng)菌中。而在古生菌,一些絕對厭氧菌和一些微好氧菌中,還存在其它類型的CO2固定途徑,包括還原性TCA途徑、厭氧乙酰CoA途徑和3-羥基丙酸途徑。還原性TCA途徑存在于少數(shù)光合細菌和綠硫細菌中;厭氧乙酰CoA途徑則存在于產(chǎn)甲烷菌、硫酸鹽還原菌和產(chǎn)乙酸菌等化能自養(yǎng)細菌中;而近年來人們在橙色綠屈撓菌(Chloroflexusaurantiacus)和一些古細菌中發(fā)現(xiàn)了一種新的CO2固定途徑,由于這一途徑以3-羥基丙酸為特征性代謝中間物,因此稱為3-羥基丙酸途徑。3-羥基丙酸途徑具有與其它三個途徑不同的鮮明特點:首先,它是一個雙循環(huán)偶聯(lián)的代謝過程;其次,途徑中涉及到多種多功能酶,這在其它的自養(yǎng)途徑中并不常見;此外,途徑中的關(guān)鍵中間產(chǎn)物——3-羥基丙酸在生物代謝過程中十分罕見。3-羥基丙酸途徑首先發(fā)現(xiàn)于橙色綠屈撓菌中,對其16SrRNA的研究結(jié)果表明,此菌不與其它任何細菌類群有緊密的關(guān)系,并且是細菌樹中一個古老的分支,同時它的這種自養(yǎng)機制在目前已知的其它所有細菌中也都不存在;而后又在多種古細菌中發(fā)現(xiàn)了類似的途徑,這可能暗示了在進化的過程中,3-羥基丙酸途徑是生命體早期自養(yǎng)生活方式的嘗試之一。13固定cod的酶學性質(zhì)1986年,Holo等人成功地在自養(yǎng)條件下培養(yǎng)了橙色綠屈撓菌。這是一種絲狀、滑移運動的嗜熱細菌,是綠色非硫細菌的主要代表。它具有多種營養(yǎng)類型:有氧條件下可以化能異養(yǎng)生長,而厭氧條件下可以光能異養(yǎng)生長或光能自養(yǎng)生長。Holo等研究發(fā)現(xiàn)橙色綠屈撓菌光能自養(yǎng)生長時是以CO2為唯一碳源的,但是在這個菌中又沒有發(fā)現(xiàn)以前已知的三種CO2固定途徑中的任何一種關(guān)鍵酶類,進一步研究證實橙色綠屈撓菌的CO2固定途徑是以微生物代謝中十分罕見的3-羥基丙酸為代謝中間物的,基于以上的這些發(fā)現(xiàn),Holo提出了固定CO2的3-羥基丙酸途徑的假設(shè)。后來,Strauss等人通過13C同位素標記實驗和無細胞提取物中酶活的測定,證明了3-羥基丙酸途徑確實存在于橙色綠屈撓菌中,并且初步分析了這一循環(huán)中涉及到的酶類。隨后的幾年里,人們先后研究了參與該循環(huán)的各種酶類的酶學性質(zhì),闡明了這些酶催化反應(yīng)的機制;與此同時,人們在一些古細菌中也發(fā)現(xiàn)了類似的CO2固定途徑。這一新發(fā)現(xiàn)的CO2固定途徑的起始物質(zhì)是乙酰CoA,通過循環(huán)過程可固定兩分子CO2轉(zhuǎn)化為一分子乙醛酸,并且乙酰CoA得到了再生。但是開始時有一個問題困擾著人們,那就是CO2固定的產(chǎn)物乙醛酸的代謝去路并不清楚,曾有的學者認為乙醛酸轉(zhuǎn)化為甘氨酸或絲氨酸參與了細胞代謝,但后來Heter等人通過研究發(fā)現(xiàn)并不是這樣,而是乙醛酸進入了另一循環(huán)過程,并且在后一循環(huán)中又固定了一分子CO2,最后形成了CO2固定過程的終產(chǎn)物——丙酮酸。也就是說,橙色綠屈撓菌中的3-羥基丙酸途徑是由通過乙醛酸連接的兩個循環(huán)組成的(圖1)。為了區(qū)別途徑的這兩個循環(huán),分別將其命名為3-羥基丙酸循環(huán)和甲基蘋果酸循環(huán)。最近,Friedmann等人在大腸桿菌中克隆表達了后一個循環(huán)中的琥珀酰CoA:甲基蘋果酸CoA轉(zhuǎn)移酶和甲基蘋果酰CoA裂合酶基因,并對其酶學性質(zhì)進行了研究。可以相信很快人們也就會弄清楚后一個循環(huán)中的各個酶的酶學性質(zhì)以及催化反應(yīng)機理,使3-羥基丙酸途徑更加完善。2-羥基丙酸途徑對co固定過程的控制橙色綠屈撓菌中的3-羥基丙酸途徑的起始物質(zhì)是乙酰CoA,在前一個循環(huán)——3-羥基丙酸循環(huán)中,乙酰CoA經(jīng)過丙二酸單酰CoA和3-羥基丙酸等中間物轉(zhuǎn)化為丙酰CoA,此過程中固定了一分子的CO2;丙酰CoA經(jīng)過α-甲基丙二酸單酰CoA、琥珀酰CoA等中間物轉(zhuǎn)化為L-蘋果酰CoA,此過程中又固定了一分子的CO2;隨后L-蘋果酰CoA在L-蘋果酰CoA/β-甲基蘋果酰CoA裂合酶的作用下分解為乙酰CoA和乙醛酸,乙醛酸同樣又在這個酶的作用下進入了后一循環(huán)過程——甲基蘋果酸循環(huán)中。有趣的是甲基蘋果酸循環(huán)與3-羥基丙酸循環(huán)的部分途徑完全相同,即乙酰CoA經(jīng)過丙二酸單酰CoA、3-羥基丙酸生成丙酰CoA;而與3-羥基丙酸循環(huán)不同的是,丙酰CoA不是繼續(xù)轉(zhuǎn)化為α-甲基丙二酸單酰CoA,而是與3-羥基丙酸循環(huán)的產(chǎn)物乙醛酸反應(yīng),經(jīng)過一系列中間物,最終再生了乙酰CoA,并生成了CO2固定的終產(chǎn)物——丙酮酸,作為通用的結(jié)構(gòu)單元參與生物合成過程。因此在橙色綠屈撓菌中,3-羥基丙酸途徑是3-羥基丙酸循環(huán)與甲基蘋果酸循環(huán)偶聯(lián)形成雙循環(huán)來共同實現(xiàn)CO2固定的,其實際效果是將三分子的CO2轉(zhuǎn)化為一分子的丙酮酸。CO2固定的過程一般都是耗能過程,3-羥基丙酸途徑亦不例外。在通過3-羥基丙酸途徑固定CO2的過程中,每固定3mol的CO2為1mol的丙酮酸就要消耗5mol的ATP和6mol的NADPH,消耗能量的反應(yīng)主要有乙酰CoA羧化酶和丙酰CoA羧化酶催化的CO2固定的反應(yīng)以及由3-羥基丙酸生成丙酰CoA的反應(yīng)。這個途徑總的反應(yīng)式為:3HCO?3+6NADPH+5ATP+4H++FAD→CH3COCOOH+6NADP++3ADP+3Pi+2AMP+3ΗCΟ3-+6ΝADΡΗ+5AΤΡ+4Η++FAD→CΗ3CΟCΟΟΗ+6ΝADΡ++3ADΡ+3Ρi+2AΜΡ+2PPi+H2O+FADH2在橙色綠屈撓菌中的CO2固定過程中有三個代謝過程比較特殊:①由丙二酸單酰CoA生成丙酰CoA的過程;②由蘋果酸生成乙醛酸和乙酰CoA的過程;③乙醛酸在L-蘋果酰CoA/β-甲基蘋果酰CoA裂合酶的作用下的同化過程,目前為止其它的自養(yǎng)生物中沒有出現(xiàn)過這些代謝過程。同時,3-羥基丙酸途徑中涉及到多種多功能酶,這些酶能夠催化多個連續(xù)的反應(yīng),比如在丙酰CoA合成酶催化下由3-羥基丙酸生成丙酰CoA的過程就是由三步反應(yīng)組成的:途徑中這種類似的多功能酶還包括丙二酸單酰CoA還原酶、L-蘋果酰CoA/β-甲基蘋果酰CoA裂合酶等,這種多功能酶在其它自養(yǎng)CO2固定途徑中也并不常見。另外值得強調(diào)的是,丙二酸單酰CoA還原酶其它已知的微生物代謝途徑中尚未出現(xiàn)過,同時它的穩(wěn)定性又很好,因此它可以作為3-羥基丙酸途徑的特征酶,用來驗證3-羥基丙酸途徑。3-羥基丙酸途徑在古菌域(Archaea)泉古菌門(Crenarchaeota)的硫化葉菌科(Sulfolobaceae)的一些菌株中也發(fā)現(xiàn)了類似3-羥基丙酸途徑的CO2固定過程,這些菌包括布氏酸菌(Acidianusbrierleyi)、勤奮金屬球菌(Metallosphaerasedula)、金屬硫化葉菌(Sulfolobusmetallicus)和下層嗜酸兩面菌(Acidianusinfernus)等。雖然在這些菌中的3-羥基丙酸途徑在細節(jié)上有所不同,但是它們都是以3-羥基丙酸為代謝中間物的。與橙色綠屈撓菌不同的是,布氏酸菌和勤奮金屬球菌中的3-羥基丙酸途徑催化CO2固定反應(yīng)的乙酰CoA羧化酶和丙酰CoA羧化酶其實是同一種酶——雙功能的酰CoA羧化酶。一般來講,在生物代謝中乙酰CoA羧化酶與脂肪酸代謝有關(guān),而丙酰CoA羧化酶則與丙酸代謝有關(guān),而這兩種菌一方面脂質(zhì)中不含有脂肪酸,另一方面又不能利用丙酸生長,同時在這兩種菌中發(fā)現(xiàn)了很高的酰CoA羧化酶酶活,這成為這兩種菌中存在3-羥基丙酸途徑的有力證據(jù)之一。但是目前為止,人們還不能證明硫化葉古細菌的3-羥基丙酸途徑中的由琥珀酰CoA形成乙酰CoA的過程。而在布氏酸菌中,沒有發(fā)現(xiàn)存在于橙色綠屈撓菌3-羥基丙酸途徑中的蘋果酰CoA裂合酶的活性,也沒有發(fā)現(xiàn)代謝乙醛酸的酶類,這說明在硫化葉古細菌中雖然存在3-羥基丙酸途徑的主要部分,但是卻有自身獨特的乙酰CoA再生系統(tǒng);此外,最近的研究表明雖然硫化葉菌與橙色綠屈撓菌中的丙二酸單酰CoA還原酶在代謝路徑中催化相同的反應(yīng),但是它們之間幾乎沒有同源性,有著不同的性質(zhì)。綜合這幾點人們猜測古細菌中的代謝途徑很有可能是一種以3-羥基丙酸途徑為基礎(chǔ)的幾種自養(yǎng)途徑的結(jié)合體。43對3-羥基丙酸途徑中多功能酶的研究目前大規(guī)模燃燒化石能源造成的CO2的大量排放是造成溫室效應(yīng)的主要原因,并且CO2作為最廉價最豐富的碳資源,廣泛存在于自然界中,橙色綠屈撓菌和其它一些古細菌中發(fā)現(xiàn)的3-羥基丙酸途徑作為一種新的CO2固定途徑,對于這個途徑的深入研究有助于人們更加全面地認識和理解地球上的碳循環(huán)過程,更加深刻的理解CO2固定的機制,有助于人們解決日益惡化的生態(tài)環(huán)境問題,有助于人類更好地利用自然界中的碳資源。3-羥基丙酸途徑中涉及到多種多功能酶,多功能酶催化由于催化中心的距離很近,在催化連續(xù)的反應(yīng)時效率較高,研究3-羥基丙酸途徑中的多功能酶有助于了解多功能酶的分子生物學機制。特別是乙酰CoA羧化酶,它是脂肪酸生物合成途徑中的關(guān)鍵酶類,但是在真核生物體內(nèi)它的各個亞基是處于游離狀態(tài)的,而在勤奮金屬球菌的3-羥基丙酸途徑中的乙酰CoA羧化酶,可分離為一個大的復合體,非常穩(wěn)定,可以用來研究晶體結(jié)構(gòu),解決晶體結(jié)構(gòu)問題對于基因治療有潛在的影響。同時,3-羥基丙酸途徑涉及了多種化學物