09章钼酶详解.ppt

* * 第九章 钼酶及含钼蛋白 钼是生物体内必需的第二过渡系元素，最重要的生物功能是把空气中的氮气转化为氨，用于生物体内的蛋白质、核酸及其他含氮细胞成分的合成。在各种钼酶的作用下，植物和许多微生物能从氨或硝酸盐开始制造蛋白的各种氨基酸，因此钼在氮进入植物乃至动物的生物链中起着核心作用。 钼容易发生价态变化，因此所有与钼有关的金属酶均与氧化还原有关，并参与生物体内的电子传递。钼酶的相对分子质量较大，纯化比较困难，存在的状态也比较复杂，因此对不少钼酶的了解还比较肤浅。 钼酶的组成都比较复杂。某些钼酶如固氮酶、黄嘌呤氧化酶、黄嘌呤脱氢酶等除了含有钼辅酶外，还含有铁硫蛋白或黄素腺嘌呤二核苷酸。一些钼酶如硝酸盐还原酶、亚硫酸盐氧化酶含有细胞色素。钼酶中的铁硫蛋白或细胞色素一般充当电子传递媒介，钼活性中心则起着底物结合并对底物进行氧化还原等生物催化作用。 第一节 固氮酶简介 第二节 钼固氮酶 第一节 固氮酶简介 一、概况 双氮是典型的反应惰性分子，它具有非常高的离解能、高的电离能和负的电子亲和能。断裂氮分子中的第一个键所需能量占整个三重键键能的一半，超过100 kcal/mol。因此氮分子既不易被氧化，也难以被还原。 早在19世纪80年代，就发现并确证了自然界中生物固氮的存在，之后发现生物固氮广泛存在于微生物和原核生物中，至今已经发现200多种微生物具有生物固氮功能。 对生物固氮的深刻认识和合理利用会对世界农业的发展产生革命性的影响。目前，世界上每年消耗约1亿吨尿素用于农业生产，但生物固氮提供了全球植物所需氮肥量的75％（约3亿吨尿素）。 工业化肥的生产需要在高温高压下进行，其生产过程消耗大量的石油和煤炭等不可再生的能源，同时污染大气，造成对环境的第一次污染；所施放的工业氮肥只有30％左右可以被农作物吸收，大部分进入地下水，对环境造成第二次污染。而固氮微生物在常温常压下固定空气中的氮气，并可直接被植物吸收利用，对环境不产生任何污染。因此实现人工生物固氮是科学发展的一个重要目标。 1960年科学家第一次从细胞分子水平上观察到在ATP存在下生物固氮现象，极大地刺激了固氮酶的生物化学研究和发展，随后活性酶从生物体内被分离提纯出来。20世纪70年代，科学家成功分离出固氮酶活性中心铁钼辅酶，测定了构成固氮酶的铁蛋白和钼铁蛋白的晶体结构。 二、固氮酶的种类 生物固氮体系可分为自生和共生固氮两种类型。自生固氮菌能够独立地进行生物固氮作用，而共生固氮微生物独立生存时没有固氮作用，但当它们侵入宿主植物之后，从宿主植物获得碳源与能源后方可固氮。 一部分固氮微生物只有在有氧环境中才具有固氮功能，如固氮菌；另一些固氮微生物在缺氧条件下能够固氮，如巴氏芽孢棱菌；还有一些固氮菌在需氧和厌氧条件下均可生长和固氮，如芽孢杆菌。 根据所含金属的种类，固氮酶主要可以分为三种类型：钼固氮酶、钒固氮酶和铁固氮酶。 每一类固氮酶均由两种金属蛋白组成，除含有铁蛋白外，钼固氮酶还含有钼铁蛋白(MoFe)、钒固氮酶还含有钒铁蛋白(VFe)、铁固氮酶还含有铁铁蛋白(FeFe)。 三、固氮酶的功能 固氮酶底物还原涉及三个基本的电子传递反应过程： (1) 铁蛋白被电子载体如生物体内的铁氧还蛋白和黄素氧还蛋白或体外的连二亚硫酸盐所还原； (2) 在MgATP存在下，电子从铁蛋白传递到钼铁蛋白（或钒铁蛋白、铁铁蛋白），且每传递一个电子伴随着两个MgATP的水解； (3) 在钼铁蛋白（或钒铁蛋白、铁铁蛋白）内，电子被传递到酶活性中心的底物分子。 铁蛋白作为特定的、必不可少的电子传递体，把电子传递给更大的金属蛋白，同时伴随MgATP的水解；钼铁蛋白的功能是结合底物分子、活化底物分子，将底物分子还原。在三种类型的固氮酶中，钼固氮酶还原氮气转化为氨的效率最高，反应式为： N2 + 8H+ + 16MgATP + 8e 2NH3 + H2 + 16MgADP + 16PO43- 固氮酶与其他生物酶不同，它对底物的专一性并不特别严格，除可催化还原氮气分子为氨外，还能够催化还原许多底物小分子，这些底物小分子大都含有三重键。实验结果表明，固氮酶活性中心最适宜结合直线形小分子，通常分子的体积越大，结合到酶活性中心就越困难，表明固氮酶活性中心与底物分子结合部位的空间是有限的。 第二节 钼固氮酶 一、钼铁蛋白的结构 钼铁蛋白的相对分子质量约为220000，它是由两个α亚基和两个β亚基组成的α2β2四聚体。每一个蛋