Page 15 - 《精细化工）》2023年第10期
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第 10 期 史红玲，等: 二氧化碳还原用甲酸脱氢酶的研究进展 ·2093·
碱性氨基酸残基（组氨酸和精氨酸）形成甲酸 机制如图 4b 所示。首先，CO 2 被带正电荷的精氨酸
或 CO 2 的结合部位，苏氨酸、天冬氨酸和组氨酸等 残基静电捕获。其次，与金属（X=Mo 或 W）结合
+
氨基酸残基通过氢键形成 NAD 或 NADH 的结合位 的硫醇的氢攻击被精氨酸残基捕获的 CO 2 ，从而金
+
+
点 [35-36] 。NAD 依赖型 FDH 通过捕获 NAD 的胺基上 属 X 的价态从四价氧化为六价。最后，由于接受质
的氢和羰基氧来启动甲酸盐氧化。然后，带正电荷的 子和电子并且释放出甲酸盐，金属 X 的价态从六价
Arg 和带负电荷的甲酸盐被静电俘获，活性中心催化 又还原为四价，活性中心恢复到原来的状态 [38] 。从
+
甲酸盐氧化为 CO 2，NAD 还原为 NADH [15,37] ，见图 催化机制可以推测，金属辅因子依赖型 FDH 中金属
2b。 X 价态的变化有助于活性中心催化残基的电子传
金属辅因子依赖型 FDH 通常含有高度保守的 递，能够显著提高活性中心催化残基的催化效率，
活性位点，其中包括 1 个 Mo（或 W）配位中心， 进而表现出比非金属辅因子依赖型 FDH 更高的二
由两个钼蝶呤二核苷酸分子、1 个硫化物和 1 个硒- 氧化碳还原效率。
半胱氨酸配体组成。此外，在第二配位中心还有组
氨酸和精氨酸残基 [38] 。图 3a 和 b 分别是含钼和含钨
的金属辅因子依赖型 FDH 活性中心的可能结构。在
甲酸盐氧化和 CO 2 还原反应中，金属辅因子依赖型
FDH 活性中心结构有所不同。对于甲酸盐氧化反应，
Mo 或 W 的价态为六价，Mo 或 W 与硫化物的键合
状态为“X==S(X=Mo 或 W)”。相反，在 CO 2 还原
反应中，Mo 或 W 的价态为四价，Mo 或 W 与硫化
物的键合状态为“X—SH(X=Mo 或 W)” [15,39] 。
图 4 金属辅因子依赖型 FDH 可能的氧化还原机制：甲
酸盐氧化（a）、CO 2 还原（b） [15]
Fig. 4 Possible mechanism of oxidation and reduction of
图 3 金属辅因子依赖型 FDH 活性中心含 Mo（a）和 W metal cofactor-dependent FDH: Formate oxidation
（b）的可能结构 [15] (a) and CO 2 reduction (b) [15]
Fig. 3 Possible structures of metal cofactor-dependent
FDH active sites containing Mo (a) and W (b) [15]
3 甲酸脱氢酶的分子改造
对于金属辅因子依赖型 FDH，甲酸盐氧化反应
的可能机制如图 4a 所示。首先，带负电荷的甲酸盐 在 CO 2 还原为甲酸盐的各种反应途径中，利用
被带正电荷的精氨酸残基静电捕获。其次，甲酸的 FDH 生物催化是最好的选择。然而，FDH 操作稳定
氢攻击与金属（X=Mo 或 W）结合的硫原子，从而 性不好，限制了其在 CO 2 还原反应中的应用。为此，
使金属 X 的价态从六价降为四价。最后，基于释放 研究者试图对 FDH 进行分子改造，旨在提高其化学
的质子和 CO 2 ，金属 X 的价态从四价氧化为六价， 和热稳定性、催化活性、辅酶专一性以及在大肠杆
活性中心恢复到原来的状态。CO 2 还原反应的可能 菌中的表达效率。本节简要介绍了通过分子改造获
