双血红素介导的逆向氧化还原环驱动脂肪酸产甲烷作用

有机质向甲烷的转化是全球碳循环和工程化沼气生产的核心过程。在这一过程中，合成营养型细菌将脂肪酸发酵产物氧化为乙酸，并偶联生成H2或甲酸盐，随后这些产物被产甲烷古菌利用。在脂肪酸β-氧化过程中，一种膜结合型电子传递黄素蛋白（ETF）:甲基甲萘醌（MMK）氧化还原酶复合物（EMO）被提出可通过反向氧化还原环驱动电子从还原态ETF向CO2的吸能性转移，但其机制基础仍未得到解析。 在此，我们报道了来自Syntrophus aciditrophicus的EMO及EMO-ETF复合物的冷冻电镜结构，其分辨率分别为2.0和3.0 Å。复合物的形成诱导了ETF发生显著构象重排，使其黄素定位于有利于向非立方烷型[4Fe:4S]和[4Fe:5S]簇高效电子转移的位置。膜整合结构域含有三个血红素b辅因子，其中包括一个特化的双血红素单元，介导由质子驱动力驱动的MMK还原。EMO与异二硫化物还原酶在结构和功能上的相似性，以及它们在细菌和古菌中的广泛分布，提示产甲烷作用与脂肪酸β-氧化之间存在进化联系，说明古老的氧化还原系统如何被重新利用以承担新的代谢功能。

有机质向甲烷的转化是全球碳循环和工程化沼气生产的核心过程。在这一过程中，互营细菌将脂肪酸发酵产物氧化为乙酸，并偶联生成H2或甲酸，随后这些产物被产甲烷古菌利用。在脂肪酸β-氧化过程中，已有研究提出，一种膜结合的电子转移黄素蛋白（ETF）:甲基甲萘醌（MMK）氧化还原酶复合物（EMO）通过反向氧化还原环驱动电子从还原态ETF向CO2的吸能转移，但其机制基础仍未得到解析。

在此，我们报道了嗜酸互营菌（Syntrophus aciditrophicus）来源的EMO及EMO-ETF复合物分别达到2.0和3.0 Å分辨率的冷冻电镜结构。复合物的形成诱导ETF发生显著构象重排，使其黄素定位于有利于向非立方烷型[4Fe:4S]和[4Fe:5S]簇高效传递电子的位置。膜整合结构域含有三个血红素b辅因子，其中包括一个特化的双血红素单元，该单元介导由质子驱动力驱动的MMK还原。EMO与异二硫化物还原酶在结构和功能上的相似性，以及它们在细菌和古菌中的广泛分布，提示产甲烷作用与脂肪酸β-氧化之间存在进化联系，并说明古老的氧化还原系统如何被重新利用以承担新的代谢功能。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.08.18.745454v1?rss=1

🏷️ 产甲烷作用 脂肪酸β-氧化 电子传递黄素蛋白 双血红素 冷冻电镜 氧化还原机制