~Teachingcenter的醫學筆記~

生物的固氮作用

固氮酶複合體的結構及功能

1. 生物的固氮作用，是由被稱為固氮酶複合體(nitrogenase complex)的高保守性蛋白質複合體所完成，其關鍵組成成分是固氮還原酶(dinitrogenase reductase)和固氮酶(dinitrogenase)
2. 固氮還原酶(分子量60000)，是由兩個完全相同的次單位(subunit)所組成的二聚體(dimer)，並包含一個4Fe-4S氧化還原中心(redox center)連結在兩個次單位中間，可被一個電子氧化或還原
   ※Nitrogen fixation: electrons flow from ferredoxin to the reductase (iron protein, or Fe protein) to nitrogenase (molybdenum-iorn protein, or MoFe protein) to reduce nitrogen to ammonia. ATP hydrolysis within the reductase drives conformational changes necessary for the efficient transer of electorns.
3. 固氮還原酶也含有兩個ATP/ADP結合位(分別在兩個次單位上)，固氮酶(分子量240000)則是由兩種不同的次單位各兩個組成的四聚體(tetramer)，包含了鐵(iron)和鉬(molybdenum)；它的氧化還原中心則包含了兩個鉬(Mo)、三十二個鐵(Fe)和三十個硫(S)
4. 約有一半的鐵和硫是以名為P群(P cluster)的兩對4Fe-4S連結存在，其餘的則是作為新的鐵-鉬輔因子(iron-molybdenum cofactor)的一部份
5. 也有含釩(vanadium)而非鉬的固氮酶，而有些細菌則是可以同時產生這兩種不同型式的固氮酶系統
6. 在某些環境狀況下，含有釩的酵素也許是主要的固氮系統，但這尚未像依賴鉬的酵素一樣被明確的歸類
7. 固氮作用是由高還原態的固氮酶所完成，並且需要八個電子：六個用來還原氮(N2)，兩個用來製造反應機制中所必須的一分子氫(H2)
8. 固氮酶被來自固氮還原酶上的電子所還原，固氮酶四聚體上，有兩個可供其還原酶結合的部位，而過程所需的八個電子一次一個，由固氮還原酶轉移至固氮酶上，一個還原態的還原酶結合至固氮酶上，並轉移一個電子，接著這個氧化態的還原酶自固氮酶上分離，重複此循環
9. 每一輪的循環需要由二聚體還原酶所水解的二分子ATP
10. 至於用來還原固氮還原酶的電子，其來源則不一定，還原態的鐵氧化還原蛋白(reduced ferredoxin)，還原態的黃素氧化還原蛋白(reduced flavodoxin)以及其他的來源，皆有一定的貢獻，在至少一種的物種中，用來還原鐵氧化還原蛋白的電子，其來源是丙酮酸(pyruvate)
    ※Nitrogen fixation by the nitrogenase complex: electrons are transferred from pyruvate to dinitrogenase via ferredoxin (or flavodoxin) and dinitrogenase reductase. Dinitrogenase reductase reduces dinitrogenase one electron at a time, with at least six electrons required to fix one molecule of N2. An additional two electrons are used to reduce 2 H+ to H2 in a process that obligatorily accompanies nitrogen fixation in anaerobes, making a total of eight electrons required per N2 molecule.
11. ATP在此過程中扮演的角色有些不尋常，ATP不僅可以透過其磷酸酐鍵(phosphoanhydride bonds)的水解作用提供化學能，亦可藉由降低活化能的非共價反應來提供鍵結能(binding energy)
12. 在固氮還原酶所催化的反應中，由ATP結合和ATP水解所帶來所帶來的蛋白質構形變化，有助於克服固氮作用的高活化能屏障
13. 兩個ATP分子結合至還原酶上，可將其還原電位(reduction potential)由-300mV轉為-420mV，這是將電子轉移至固氮酶上所需的還原力的強化，接著在電子真正進行轉移前，這些ATP會被水解
14. 固氮酶複合體另一個重要的特徵是有氧狀態下極端不穩定，還原酶在空氣中是失活的，其半衰期為30秒，固氮酶在空氣中的半衰期則為10分鐘，非共生性的固氮菌透過許多不同的方式因應這個問題，有些細菌僅存活在無氧環境中，或是在有氧環境下壓制固氮酶的合成
15. 另一些好氧細菌，例如Azotobacter vinelandii，則是將ATP合成過程與電子傳遞進行部分去偶合，如此一來氧氣在進入細胞時便立刻燃燒耗盡，因此在固氮作用進行時，培養這些細菌會提高環境的溫度，這是他們將自己與氧隔絕的結果

豆科植物與固氮細菌的共生關係

1. 豆科植物與在其根瘤(root nodule)部位的固氮菌之共生關係(symbiotic relationship)，同時兼顧了固氮酶複合體的能量需求和處理其對氧氣的不穩定性
2. 對於固氮作用的能量需求，也許是造成這種植物-細菌連結關係的演化驅動力
3. 位於根瘤部位的細菌得以接觸大量的能量庫，它由植物以糖和檸檬酸循環中間產物的形式提供，使得它們可以固定大量的氮，遠比一般狀況下非共生性的細菌，只在土壤中所能固定的氮多上數百倍
4. 為了解決關於氧氣毒性(oxygen-toxicity)的問題，根瘤部位的細菌浸在由植物產生的溶液中，內含有名為豆科血紅素(leghemoglobin)的血質蛋白，可與氧結合(雖然血質的部分是由細菌所提供)
5. 豆科血紅素會與所有可接觸的氧結合，使其無法干擾固氮作用，並且有效的將氧運輸至細菌的電子傳遞系統(electron-transfer system)