嘉磷塞（glyphosate）如何抑制EPSPS？

 上次寫過一篇關於「抗除草劑的基改作物是如何抗除草劑的」？的文章，最近被問了一個問題，就是鼎鼎大名的除草劑「嘉磷塞」（年年春）是如何除草的？

其實這個問題並不難查，就在維基百科的「嘉磷塞」（glyphosate）的英文條目中，就有答案；不過為了慎重起見，我又去查了書本，書本上的答案也一樣，只是書本上反而沒有維基百科那麼容易查到參考文獻。

在維基的英文條目中的參考文獻是2001年2月的《美國國家科學院院刊》（PNAS，Proceedings of National Academy of Science）：Interaction of the herbicide glyphosate with its target enzyme 5-enolpyruvylshikimate 3-phosphate synthase in atomic detail。PNAS過期的全部都開放PDF下載，非常貼心，有興趣的朋友可以點上面的連結去抓PDF來慢慢看。

從這篇PNAS文章中，我借用了一個圖來簡單說明嘉磷塞是怎麼抑制EPSPS這個酵素的：

圖片來源：PNAS

上圖那一堆灰色的結構就是EPSPS。這個酵素在沒有遇到它的受質莽草酸-3-磷酸（shikimate 3-phosphate）時，是以「開放」（open）的構形存在（左邊a）；在遇到莽草酸-3-磷酸（綠色）後，會由「開放」的構形轉為「關閉」（closed）的構形（右邊b）。這時候另外一個受質磷酸烯醇丙酮酸（PEP，phosphoenolpyruvate）就可以進來，接著反應產生產物，5-烯醇丙酮莽草酸-3- 磷酸（EPSP，5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate）。

而嘉磷塞（上圖b粉紫色結構）就是在莽草酸-3-磷酸與酵素結合後，就進來與這個複合物結合，使磷酸烯醇丙酮酸無法進入，於是接下來的反應就無法發生，當然也就不會有產物（EPSP）產生了。所以嘉磷塞在這裡的作用為一種「競爭型抑制劑」（competitive inhibitor）。

沒有了EPSP，就沒辦法合成芳香族胺基酸色胺酸（tryptophan）、苯丙胺酸（phenylalanine）與酪胺酸（tyrosine）；所以植物就死掉了。而抗除草劑的基因則是來自於一隻農桿菌（Agrobacterium tumefaciens CP4），它的EPSPS不怕嘉磷塞。

至於現在發現的超級雜草，目前已知的例子是將自己的EPSPS重複了九到十六次，也就是以產生更多的酵素的方式來消耗嘉磷塞；把除草劑給消耗光了，就可以順利生長囉！

參考文獻：

Interaction of the herbicide glyphosate with its target enzyme 5-enolpyruvylshikimate 3-phosphate synthase in atomic detail Ernst Schönbrunn, Susanne Eschenburg, Wendy A. Shuttleworth, John V. Schloss, Nikolaus Amrhein, Jeremy N. S. Evans, Wolfgang Kabsch Proceedings of the National Academy of Sciences Feb 2001, 98 (4) 1376-1380; DOI: 10.1073/pnas.98.4.1376

Buchanan B. B. Gruissem W., and Jones R.L. 2015. Biochemistry and Molecular Biology of Plants. 2nd ed. Wiley Blackwell. p.305