固氮酶

1960年，人們獲得了無細胞的固氮酶提取液 ^[1]  ，在此基礎上，Carnahan和Mortenson等成功地實現了體外固氮。Bullen和LeComte進一步分離出固氮酶的兩個組分鉬鐵蛋白(MoFe蛋白)和鐵蛋白(Fe蛋白)。這兩種蛋白單獨存在時，都無固氮酶活性，只有二者整合在一起，形成複合體後，才具有固氮酶活性(因為這兩種物質作為電子載體能夠起到傳遞電子的作用）。生物固氮原理簡介：生物固氮是固氮微生物特有的一種生理功能，這種功能是在固氮酶的催化作用下進行的。固氮微生物需氧，而固氮必須是在嚴格的厭氧微環境中進行。組成固氮酶的兩種蛋白質，鉬鐵蛋白和鐵蛋白，對氧極端敏感，一旦遇氧就很快導致固氮酶的失活，而多數的固氮菌都是好氧菌，它們要利用氧氣進行呼吸和產生能量。

Fe蛋白由nifH基因編碼。對多種生物固氮酶鐵蛋白的一級結構的測定結果表明，Fe蛋白都不含色氨酸，酸性氨基酸的含量均高於鹼性氨基酸，各屬種間的同源性為45%～90%，説明鐵蛋白的基本結構較為保守。

Fe蛋白是兩個相同的亞基組成的γ2型二聚體。二聚體的分子量約為59～73kD(因菌種不同而差異)，每個亞基的分子量約30kD。兩個亞基通過一個[4Fe-4S]金屬簇橋連，每個亞基的核心是一個由8個β摺疊片形成的平面，側面與9條α螺旋相連。在二聚體兩個亞基的界面之間還存在大量的氫鍵和靜電作用。這些作用力很強，即使[4Fe-4S]簇被抽提，鐵蛋白二聚體的結構仍能保持。

在Fe蛋白上有3種功能位點：[4Fe-4S]簇、MgATP結合-水解位點、ADP-R位點。前二者密切結合，關係到電子的傳遞。有的固氮生物(如巴西固氮螺菌)的Fe蛋白還含有ADP-R位點(ADP-核糖基化位點)，參與固氮酶活性的調節。在氨存在的情況下，由ADP-核糖轉移酶催化鐵蛋白的ADP-核糖基化，抑制固氮酶活性；相反，ADP-核糖糖基水解酶除去ADP-核糖，解除對固氮酶的抑制。

在固氮反應中，[4Fe-4S]簇改變氧還電勢作為分子間電子傳遞的驅動力。反應首先由Na2S2O4、鐵氧還蛋白、黃素氧還蛋白等電子供體提供電子將[4Fe-4S]²⁺還原為[4Fe-4S]¹⁺，[4Fe-4S]¹⁺再將電子傳遞給鉬鐵蛋白後，[4Fe-4S^]1+再轉化為[4Fe-4S]²⁺。傳遞一個電子要水解2個MgATP。

除了作為鉬鐵蛋白的專一性的電子供體外，鐵蛋白還具有以下功能：參與鉬鐵蛋白M-簇(FeMoco)的生物合成，以及合成的FeMoco插入鉬鐵蛋白的過程，並且可能對固氮酶體系的表達具有調控功能。

Kennedy等人通過SDS-PAGE法，發現鉬鐵蛋白含有兩種亞基，已經確定其為異四聚體(α2β2)，分子量約220k～240kD之間(因不同來源而異)。α亞基分子量為55kD，由nifD基因編碼，大小約為500個氨基酸，氨基酸序列的同源性在47%～66%，具有相當高的保守性。

在已知的α亞基氨基酸序列中，有5個Cys殘基(Cys⁶²、Cys⁸⁸、Cys¹⁵⁴、Cys¹⁸³、Cys²⁷⁵)是絕對保守的，可能和鉬鐵蛋白中金屬原子簇的生物合成有關。nifK基因編碼的β亞基分子量為60kD，氨基酸序列與α亞基比較相似。α亞基和β亞基之間存在廣泛的相互作用，它們構成一個近似軸對稱的αβ，兩個αβ二聚體以近似軸對稱的方式交聯起來，形成了α₂β₂四聚體。

在鉬鐵蛋白中含有M-簇和P-簇兩種金屬原子簇。P-簇是一類獨特的[8Fe-7S]的原子簇，位於α和β亞基二聚體的界面上。它能夠進行多種氧化還原態的變化，PN經過不同程度的氧化為P¹⁺、P²⁺、P³⁺及P^SUPEROX。這些不同氧化態的P-簇都具有獨特的電子順磁共振譜(EPR)特徵，為研究P-簇的功能提供了有效的途徑。P-簇是固氮酶反應中電子傳遞的中間體，負責接受和儲存來自鐵蛋白的[4Fe-4S]簇的電子並將電子傳遞到M-簇。M-簇位於鉬鐵蛋白的α亞基內，僅通過αCys275和αHis472兩個氨基酸殘基與蛋白主鏈相連。它由一個[4Fe-3S]簇和一個[1Mo-3Fe-3S]簇通過3個S原子與二者中的Fe連接而成的Mo1Fe7S9原子簇。FeMoco上連有一個高檸檬酸分子，高檸檬酸分子通過2個O原子與Mo連接。MoFe蛋白分辨率1.16的X-射線晶體衍射顯示，FeMoco內還存在一個輕的原子，它以6個等同的鍵連接在[4Fe-3S]簇和[1Mo-3Fe-3S]簇的3個Fe原子，這個輕的原子可能是N。

MoFe蛋白在固氮酶催化氮氣等底物過程中起催化、絡合作用。鐵蛋白中的[4Fe-4S]簇將電子傳遞給MoFe蛋白的P-簇，使其還原，然後P-簇再將電子傳遞給FeMoco，底物在此接受電子後被還原。可見，FeMoco是固氮酶的活性中心，FeMoco的結構以及其周圍多肽環境的變化對固氮酶活性的影響是當前研究固氮催化機制的最活躍領域之一。

固氮菌在進化過程中，發展出多種機制來解決既需氧又防止氧對固氮酶的操作損傷的矛盾。

1、固氮菌以較強的呼吸作用迅速地將周圍互不干涉中的氧消耗掉，使細胞周圍處於低氧狀態，保護固氮酶不受損傷。

2、在根瘤菌中，以豆血紅蛋白與氧氣結合的方式使豆血紅蛋白周圍的氧氣維持在一個極低的水平。

3、有些固氮菌能形成一個阻止氧氣通過的粘液層。

固氮的過程中每個電子的傳遞需要消耗2~3個ATP，而且一般固氮生物在固氮的同時也會產生氫氣，因此固氮的總反應式可寫為：

此過程消耗16~24個ATP。

在Bishop等發現第二套固氮系統以前，人們一直認為，鉬鐵蛋白和鐵蛋白組成的固氮酶系統是固氮生物中起固氮作用的唯一系統。Bishop在對棕色固氮菌的研究中，發現存在另外一種固氮酶系統，使生物體在缺乏Mo的條件下可以固氮生長。這種含釩固氮酶只在無Mo而有V的條件下表達，由VFe蛋白和Fe蛋白-2組成，被認為是一種“備份”的固氮酶系統。Fe蛋白-2由vnfH編碼，分子量為64kD，結構和功能均與含鉬固氮酶的鐵蛋白類似；二者之間的同源性達90%。釩鐵蛋白的結構特性和鉬鐵蛋白相似，但除α₂β₂外，還含有一個小的δ亞基，組成α2β2δ2六聚體。VFe蛋白含有一個與FeMoco類似的FeVco活性中心和一個與MoFe蛋白中具有相似波譜特性的P-簇。在催化氮還原的過程中，與含鉬固氮酶相比較，含釩固氮酶的催化過程釋放更多的H2，消耗更多的MgATP。但是，含釩固氮酶在低温條件下比含鉬固氮酶更具有活性，從而在進化過程中得以保存。

第三套固氮酶系統是鐵鐵固氮酶，其固氮活性極低，由FeFe蛋白和Fe蛋白-3組成。Fe蛋白-3與含鉬固氮酶系統中的Fe蛋白的氨基酸序列同源性只有60%；FeFe蛋白與VFe蛋白在α和β的氨基酸序列同源性為55%，與MoFe蛋白的同源性只有32%。這三套固氮酶分別由nif、vnf及其anf基因簇調控，它們的固氮能力表現為含Mo酶>含V酶>僅含Fe。 ^[1]