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固氮酶化学机理研究
摘要:固氮酶的研究在近来备受重视,本文着重对近来固氮酶的研究成果进行综述,特别是固氮酶的组成、机理和模拟研究。
关键词:固氮酶;模拟;催化
生物固氮过程是微生物界特有的,它能将空气中的游离氮气还原成氨。依靠生物固氮,,,由此足见生物固氮的重要性,而生物固氮是在固氮酶的作用下进行的,对固氮酶的研究及模拟将为合成氨工艺改革提供理论依据。本文就所查文献对这方面的研究进展状况进行概述。
1 氮气分子的不活泼性及固氮酶催化的反应
氮气分子是一个化学性质非常不活泼的双原子分子;其分子轨道排布为:Kx(2ag) (2au) (1au) (3og) (1ag)。,键伸缩频率是2331em~ ,×10 达因/cm:(),(1505千焦/摩尔),三重键能和N=N (521千焦/摩尔)。而固氮酶却能在温和的条件下把N2还原到氨。
2 固氮酶的组成
固氮酶是一种多异核金属原子簇的复合金属酶。固氮酶系由两种对氧敏感的金属蛋白质组成:一种是铁氧还蛋白,它的分子量约为60,O0 70,000,是含有[4Fe一4S]簇的双体;另一种蛋白是钼铁蛋白,分子量约为200,O0 220,
000,是四合体,含有铁及对酸不稳定的硫,以及钼或钒。关于这两种蛋白的多肽的编码基因已经搞清楚。在固氮作用中,两种蛋白必须同时存在,才具有固氮性能。钼铁蛋白中辅基——铁钼辅基,分子量为2000,是固氮酶的络合催化中心,而铁氧还蛋白主要是起传递电子的作用。对于铁钼辅基的结构,中科院福建物质结构研究所固氮小组认为是由一个Mo、3个Fe和3个s一共7个原子组成,具有网兜状的不完整类立烷型原子簇结构。1977年有报道Mo:Fe:S=1:8:6(原子比);i979年报道Mo:Fe:S=1:7:4(原子比.)。到目前,通过EXFAS(外延x一射线吸收精细结构)测定,可以证明Mo=0钼氧双键不存在,在钼原子周围,有3—4个s,2—3个Fe,1—2个SR,键长测定为Mo一$235pm,Mo—Fe273pm,Mo=SR247pm。
3 固氮酶的机理研究
6O年代以来,,揭示了FeMo—co(铁钼辅基)MoFe S (R高柠檬酸),Mo原子处于一端的角落位置上,并和3个P-a-硫配体、,而羧基和羧基与金属不成键,形成1:1型的高柠檬酸钼簇结构,如图1_
铁钼(钒)辅基生物合成的化学模拟
从钒的EXAFS谱图中可发现钒固氮酶中的FeV辅基和FeMo辅基相似,柠檬酸
(H cit:C。H。O )和其它羟基多羧基酸有可能在如Fc、V 和Mo这些金属的新陈代谢中起重要的作用野生型固氮酶含有R构型的高柠檬酸, 高柠檬酸有可和钼配位的a一羟基、a一羧酸口和羧基#而固氮酶突变种仅含柠檬酸配位的铁钼辅基MoFe S (柠檬酸),柠檬酸比高柠檬酸少一