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固氮酶

二月 08, 2023

固氮酶
代号 nif, anf, vnf
其他
分类 细菌、古菌
資料庫連結
EC編號 1.18.6.1
PDB 1n2c

固氮酶（英語：Nitrogenase）是一类在许多有机体中被利用于将空气中的氮气转化为含氮化合物的酶。这类酶是现在已被人们发现的唯一一种能完成该过程的酶。氮一般以含有键能较高的氮-氮三键的氮分子形式存在于自然界中，必须将这三个化学键完全破坏才能把该双原子分子中的两个氮原子分开。

固氮酶可以看作是固氮作用中的催化剂，固氮酶使以下反应的活化能降低，从而使反应更容易进行。

固氮酶催化反应的简化反应方程式为：

N2 + 6 H + 能量 → 2 NH3

详细反应方程式为：

N2 + 8 H+ + 8 e- + 16 ATP → 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi

反应底物为：

8 铁氧还蛋白red. + 8 H+ + N2 + 16 ATP + 16 H2O

反应产物为：

8 铁氧还原蛋白ox. + H2 + 2 NH3 + 16 ADP + 16 磷酸盐


虽然以氢气分子和氮气分子合成氨的反应焓为负值（ΔH0 = -45.2 kJ/mol NH3），但实际上如果没有催化剂的参与该反应的势垒（活化能）一般难以逾越（EA = 420 kJ/mol）。[1]

因此，在催化过程中，固氮酶需要还原剂（如连二亚硫酸钠，in vitro或铁氧化还原蛋白，in vivo）和ATP水解过程中释放的大量化学能。固氮酶由瞬間和同源二聚體鐵蛋白相連的四聚体钼铁蛋白組成，固氮酶在和被還原、與核甘酸結合的同源二聚體鐵蛋白連結時獲得了還原力。 每个电子的转移提供了足够的能量破坏每个氮分子的三键中的任一个化学键。

由于分离结合了氮的固氮酶晶体较为困难，固氮酶固氮的确切催化机理现在仍不明晰。而产生这种困难的原因在于MoFe蛋白的静息态不能与氮结合且催化该反应需要至少转移三个电子。固氮酶还能还原乙炔，也能被一氧化碳抑制（两者能完全反应）， 阻碍了氮分子与活性中心的接触。氮分子能阻止乙炔的结合，但乙炔不能阻止氮分子的结合并且只需要一个电子进行还原。[2]

所有固氮酶都具有一个含铁和硫的辅因子（包括活性区域中的一个四聚体，例如FeMoCo）。在大多数固氮酶中，这个异金属拥有一个中央钼原子，而其他的则由钒原子或铁原子取代。[3]

由于氧气具有较强的氧化性，固氮酶可能会被氧气不可逆转地抑制（Fe-S 辅因子被氧化降解）。

非特异性反应

除了能催化将氮气转变为氨气的反应，固氮酶还能催化以下几种反应[4][5]：

HC≡CH → H2C＝CH2
N≡N－O → N2 + H2O
N＝N＝N- → N2 + NH3
C≡N- → CH4，NH3，H3C－CH3，H2C＝CH2 （CH3NH2）
N≡C－R → RCH3 + NH3
C≡N－R → CH4，H3C－CH3，H2C＝CH2，C3H8, C3H6，RNH2
S＝C＝O → CO + H2S [6]
O＝C＝O → CO + H2O [6]
S＝C＝N- → H2S + HCN [7]
S＝C＝O → H2S + CO [7]
O＝C＝N- → H2O + HCN，CO + NH3 [7]

另外，在固氮酶中，氢一般作为竞争性抑制剂[8]，CO一般作为非竞争性抑制剂[4][5]，CS2一般作为快速平衡抑制剂[6]。

能合成固氮酶的生物

  • 非寄生固氮菌，如
    • 蓝藻（通过特异化的异形细胞）
    • 固氮菌科的菌类
  • 共生固氮菌，如

与原叶绿素酸酯还原酶的相似性

参见

参考文献

  1. ^ Modak, J. M., 2002, Haber Process for Ammonia Synthesis, Resonance. 7, 69-77.
  2. ^ Seefeldt LC, Dance IG, Dean DR. 2004. Substrate interactions with nitrogenase: Fe versus Mo. Biochemistry. 43(6):1401-9.
  3. ^ Robson, R. L.; Eady, R. R.; Richardson, T. H.; Miller, R. W.; Hawkins, M.; Postgate, J. R., 1986, The alternative nitrogenase of Azotobacter chroococcum is a vanadium enzyme, Nature (London). 322, 388-390.
  4. ^ 4.0 4.1 Rivera-Ortiz, José M., and Burris, Robert H. Interactions among substrates and inhibitors of nitrogenase. J Bacteriol. 1975, 123 (2): 537–545 [2010-08-29]. PMC 235759  . PMID 1150625. （原始内容于2008-10-12）. 
  5. ^ 5.0 5.1 G. N. Schrauzer. . Angewandte Chemie International Edition in English. 2003, 14 (8): 514–522 [2010-08-29]. PMID 810048. doi:10.1002/anie.197505141. （原始内容存档于2020-03-23）. 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 Lance C. Seefeldt, Madeline E. Rasche, Scott A. Ensign. Carbonyl sulfide and carbon dioxide as new substrates, and carbon disulfide as a new inhibitor, of nitrogenase. Biochemistry. 1995, 34 (16): 5382–5389 [2010-08-29]. PMID 7727396. doi:10.1021/bi00016a009. （原始内容于2019-11-14）. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 Madeline E. Rasche and Lance C. Seefeldt. Reduction of Thiocyanate, Cyanate, and Carbon Disulfide by Nitrogenase: Kinetic Characterization and EPR Spectroscopic Analysis. Biochemistry. 1997, 36 (28): 8574–8585 [2010-08-29]. PMID 9214303. doi:10.1021/bi970217e. （原始内容于2019-10-19）. 
  8. ^ Joseph H. Guth, Robert H. Burris. Inhibition of nitrogenase-catalyzed ammonia formation by hydrogen. Biochemistry. 1983, 22 (22): 5111–5122 [2010-08-29]. PMID 6360203. doi:10.1021/bi00291a010. （原始内容于2019-12-04）. 

二月 08, 2023
固氮酶, 代号, vnf其他分类, 细菌, 古菌資料庫連結ec編號, 1pdb, 1n2c, 英語, nitrogenase, 是一类在许多有机体中被利用于将空气中的氮气转化为含氮化合物的酶, 这类酶是现在已被人们发现的唯一一种能完成该过程的酶, 氮一般以含有键能较高的氮, 氮三键的氮分子形式存在于自然界中, 必须将这三个化学键完全破坏才能把该双原子分子中的两个氮原子分开, 可以看作是固氮作用中的催化剂, 使以下反应的活化能降低, 从而使反应更容易进行, 催化反应的简化反应方程式为, 能量, nh3详细反应方程式为. 固氮酶代号 nif anf vnf其他分类 细菌 古菌資料庫連結EC編號 1 18 6 1PDB 1n2c固氮酶 英語 Nitrogenase 是一类在许多有机体中被利用于将空气中的氮气转化为含氮化合物的酶 这类酶是现在已被人们发现的唯一一种能完成该过程的酶 氮一般以含有键能较高的氮 氮三键的氮分子形式存在于自然界中 必须将这三个化学键完全破坏才能把该双原子分子中的两个氮原子分开 固氮酶可以看作是固氮作用中的催化剂 固氮酶使以下反应的活化能降低 从而使反应更容易进行 固氮酶催化反应的简化反应方程式为 N2 6 H 能量 2 NH3详细反应方程式为 N2 8 H 8 e 16 ATP 2 NH3 H2 16 ADP 16 Pi反应底物为 8 铁氧还蛋白red 8 H N2 16 ATP 16 H2O反应产物为 8 铁氧还原蛋白ox H2 2 NH3 16 ADP 16 磷酸盐虽然以氢气分子和氮气分子合成氨的反应焓为负值 DH0 45 2 kJ mol NH3 但实际上如果没有催化剂的参与该反应的势垒 活化能 一般难以逾越 EA 420 kJ mol 1 因此 在催化过程中 固氮酶需要还原剂 如连二亚硫酸钠 in vitro或铁氧化还原蛋白 in vivo 和ATP水解过程中释放的大量化学能 固氮酶由瞬間和同源二聚體鐵蛋白相連的四聚体钼铁蛋白組成 固氮酶在和被還原 與核甘酸結合的同源二聚體鐵蛋白連結時獲得了還原力 每个电子的转移提供了足够的能量破坏每个氮分子的三键中的任一个化学键 由于分离结合了氮的固氮酶晶体较为困难 固氮酶固氮的确切催化机理现在仍不明晰 而产生这种困难的原因在于MoFe蛋白的静息态不能与氮结合且催化该反应需要至少转移三个电子 固氮酶还能还原乙炔 也能被一氧化碳抑制 两者能完全反应 阻碍了氮分子与活性中心的接触 氮分子能阻止乙炔的结合 但乙炔不能阻止氮分子的结合并且只需要一个电子进行还原 2 所有固氮酶都具有一个含铁和硫的辅因子 包括活性区域中的一个四聚体 例如FeMoCo 在大多数固氮酶中 这个异金属拥有一个中央钼原子 而其他的则由钒原子或铁原子取代 3 由于氧气具有较强的氧化性 固氮酶可能会被氧气不可逆转地抑制 Fe S 辅因子被氧化降解 目录 1 非特异性反应 2 能合成固氮酶的生物 3 与原叶绿素酸酯还原酶的相似性 4 参见 5 参考文献非特异性反应 编辑除了能催化将氮气转变为氨气的反应 固氮酶还能催化以下几种反应 4 5 HC CH H2C CH2N N O N2 H2ON N N N2 NH3C N CH4 NH3 H3C CH3 H2C CH2 CH3NH2 N C R RCH3 NH3C N R CH4 H3C CH3 H2C CH2 C3H8 C3H6 RNH2S C O CO H2S 6 O C O CO H2O 6 S C N H2S HCN 7 S C O H2S CO 7 O C N H2O HCN CO NH3 7 另外 在固氮酶中 氢一般作为竞争性抑制剂 8 CO一般作为非竞争性抑制剂 4 5 CS2一般作为快速平衡抑制剂 6 能合成固氮酶的生物 编辑非寄生固氮菌 如 蓝藻 通过特异化的异形细胞 固氮菌科的菌类 共生固氮菌 如 根瘤菌 弗兰克氏菌与原叶绿素酸酯还原酶的相似性 编辑参见 编辑固氮作用参考文献 编辑 Modak J M 2002 Haber Process for Ammonia Synthesis Resonance 7 69 77 Seefeldt LC Dance IG Dean DR 2004 Substrate interactions with nitrogenase Fe versus Mo Biochemistry 43 6 1401 9 Robson R L Eady R R Richardson T H Miller R W Hawkins M Postgate J R 1986 The alternative nitrogenase of Azotobacter chroococcum is a vanadium enzyme Nature London 322 388 390 4 0 4 1 Rivera Ortiz Jose M and Burris Robert H Interactions among substrates and inhibitors of nitrogenase J Bacteriol 1975 123 2 537 545 2010 08 29 PMC 235759 PMID 1150625 原始内容存档于2008 10 12 5 0 5 1 G N Schrauzer Nonenzymatic Simulation of Nitrogenase Reactions and the Mechanism of Biological Nitrogen Fixation Angewandte Chemie International Edition in English 2003 14 8 514 522 2010 08 29 PMID 810048 doi 10 1002 anie 197505141 原始内容存档于2020 03 23 6 0 6 1 6 2 Lance C Seefeldt Madeline E Rasche Scott A Ensign Carbonyl sulfide and carbon dioxide as new substrates and carbon disulfide as a new inhibitor of nitrogenase Biochemistry 1995 34 16 5382 5389 2010 08 29 PMID 7727396 doi 10 1021 bi00016a009 原始内容存档于2019 11 14 7 0 7 1 7 2 Madeline E Rasche and Lance C Seefeldt Reduction of Thiocyanate Cyanate and Carbon Disulfide by Nitrogenase Kinetic Characterization and EPR Spectroscopic Analysis Biochemistry 1997 36 28 8574 8585 2010 08 29 PMID 9214303 doi 10 1021 bi970217e 原始内容存档于2019 10 19 Joseph H Guth Robert H Burris Inhibition of nitrogenase catalyzed ammonia formation by hydrogen Biochemistry 1983 22 22 5111 5122 2010 08 29 PMID 6360203 doi 10 1021 bi00291a010 原始内容存档于2019 12 04 取自 https zh wikipedia org w index php title 固氮酶 amp oldid 73638735, 维基百科，wiki，书籍，书籍，图书馆，

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