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固氮酵素

1 拼音

gù dàn jiào sù

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2 注解

地球上约有一百多种固氮细菌,可以在常温常压下进行固氮作用,有些能独自营生,其它则需与动植物共生。由于多数的农作物,如玉米小麦稻米地瓜马铃薯等,无法与固氮细菌共生,因此这些农作物自播种至收成,须施加大量的氮肥。然而,这些氮肥对水的溶解度极大,常随雨水流入河川、湖泊、海洋,滋生藻类,造成优养化而劣化水质,也严重地伤害环境生态。

很多生物及化学界专家,对于固氮细菌所拥有的固氮酵素深感兴趣。一方面,努力找出适当的固氮细菌,生产含氮营养物质,帮助农作物生长。另一方面,试图了解固氮酵素的构造与有关的化学反应,期望能找出有效且不用耗费大量能源的工业固氮途径。

一九六六年,首先由厌氧固氮细菌分离到固氮酵素,迄今已发现超过三十个固氮细菌酵素。大部分固氮酵素由两个不同的金属蛋白质构成,各自展现不同的功能;一个负责电子传递,另一个职司受质分子的还原反应。实验证据显示,铁蛋白质负责将电子传给担任受质分子还原反应的金属蛋白质;这类蛋白质有三种可能的组成:含钼及铁的蛋白质;含钒及铁的蛋白质,称为钒铁固氮酵素;或仅单含铁的蛋白质,称为单含铁的固氮酵素。然而大部分生物化学及生物物理的固氮酵素研究,包括其晶体构造解析,却集中在第一种文献上称为钼铁的固氮酵素或简称含钼固氮酵素。

含钼固氮酵素,也由两个不同的金属蛋白质构成:含铁的蛋白质及含钼铁的蛋白质。含铁的蛋白质,分子量约六万,由一个 [4Fe-4S] 金属簇当桥梁,连接两个相同的次级单位;含钼铁蛋白质较大,分子量达二十五万,由四个次级单位(或称 α2β2 四聚体)构成,这蛋白质含两类金属簇:[8Fe-7S] 簇(称P簇)与含异柠檬酸配位的 [7Fe-X-9S-Mo] 簇(X 原子可能是碳、氮或氧)。虽然,氮气分子的固定与还原反应,详细的过程尚不清楚,一般咸信氮气分子可在铁钼辅助因子上固定,随着P簇的靠近,借着腺三磷酸水解产生腺二磷酸的过程所得的能量,驱使电子由含铁的蛋白质,单方向地流入含钼铁的蛋白质,而将氮气还原成氨。由于该电子也会与水中的氢离子反应并生成氢,因此含钼固氮酵素会与乙炔反应生成乙烯

由催化的角度来看,催化反应通常发生在金属上,但是氮气到底是接在铁钼辅助因子中哪一个或数个金属上,至今仍然是个谜。不过,固氮酵素将氮气转换成氨气,需要分成好几个步骤进行,因为氮气中氮原子间的键结是由三个键构成,要一次打断三个键颇为困难,所以应该是一次打断一个键的方式,逐次完成由氮转换成氨。

根据理论计算的结果,从氮气变成氨气是一个可自发的反应过程。但是,要直接从氮气变成氨气,需跨越非常高的活化能(50.9 仟卡/莫耳),一般都是经由金属的催化,一步步地反应。氮气可能先与金属触媒(M)生成 MN2,与氢气反应经 MN2H2 得到 MN2H4,再与氢气生成氨气。目前世界上有很多化学实验室,已经合成出许多 MN2、MN2H2 和 MN2H4 的金属错化物,并证实皆可与氢气生成氨气。因此,随着对固氮酵素的了解,相信将来有机会发展出新的催化剂,来取代目前极耗能源的哈柏法,以大量取得含氮元素化合物,直接或间接地解决粮食不足的问题。

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