固氮酵素

地球上約有一百多種固氮細菌,可以在常溫常壓下進行固氮作用,有些能獨自營生,其它則需與動植物共生。根據理論計算的結果,從氮氣變成氨氣是一個可自發的反應過程。

微生物介紹

地球上約有一百多種固氮細菌,可以在常溫常壓下進行固氮作用,有些能獨自營生,其它則需與動植物共生。由於多數的農作物,如玉米小麥稻米地瓜馬鈴薯等,無法與固氮細菌共生,因此這些農作物自播種至收成,須施加大量的氮肥。然而,這些氮肥對水的溶解度極大,常隨雨水流入河川、湖泊、海洋,滋生藻類,造成優養化而劣化水質,也嚴重地傷害環境生態。

研究

很多生物及化學界專家,對於固氮細菌所擁有的固氮酵素深感興趣。一方面,努力找出適當的固氮細菌,生產含氮營養物質,幫助農作物生長。另一方面,試圖了解固氮酵素的構造與有關的化學反應,期望能找出有效且不用耗費大量能源的工業固氮途徑。
一九六六年,首先由厭氧固氮細菌分離到固氮酵素,迄今已發現超過三十個固氮細菌酵素。大部分固氮酵素由兩個不同的金屬蛋白質構成,各自展現不同的功能;一個負責電子傳遞,另一個職司受質分子的還原反應。實驗證據顯示,鐵蛋白質負責將電子傳給擔任受質分子還原反應的金屬蛋白質;這類蛋白質有三種可能的組成:含鉬及鐵的蛋白質;含釩及鐵的蛋白質,稱為釩鐵固氮酵素;或僅單含鐵的蛋白質,稱為單含鐵的固氮酵素。然而大部分生物化學及生物物理的固氮酵素研究,包括其晶體構造解析,卻集中在第一種文獻上稱為鉬鐵的固氮酵素或簡稱含鉬固氮酵素。
含鉬固氮酵素,也由兩個不同的金屬蛋白質構成:含蛋白質及含鉬鐵的蛋白質。含鐵的蛋白質,分子量約六萬,由一個 【4Fe-4S】 金屬簇當橋樑,連線兩個相同的次級單位;含鉬鐵蛋白質較大,分子量達二十五萬,由四個次級單位(或稱 α2β2 四聚體)構成,這蛋白質含兩類金屬簇:【8Fe-7S】 簇(稱P簇)與含異檸檬酸配位的 【7Fe-X-9S-Mo】 簇(X 原子可能是碳、氮或氧)。雖然,氮氣分子的固定與還原反應,詳細的過程尚不清楚,一般鹹信氮氣分子可在鐵鉬輔助因子上固定,隨著P簇的靠近,借著腺三磷酸水解產生腺二磷酸的過程所得的能量,驅使電子由含鐵的蛋白質,單方向地流入含鉬鐵的蛋白質,而將氮氣還原成氨。由於該電子也會與水中的氫離子反應並生成氫,因此含鉬固氮酵素會與乙炔反應生成乙烯。
由催化的角度來看,催化反應通常發生在金屬上,但是氮氣到底是接在鐵鉬輔助因子中哪一個或數個金屬上,至今仍然是個謎。不過,固氮酵素將氮氣轉換成氨氣,需要分成好幾個步驟進行,因為氮氣中氮原子間的鍵結是由三個鍵構成,要一次打斷三個鍵頗為困難,所以應該是一次打斷一個鍵的方式,逐次完成由氮轉換成氨。
根據理論計算的結果,從氮氣變成氨氣是一個可自發的反應過程。但是,要直接從氮氣變成氨氣,需跨越非常高的活化能(50.9 仟卡/莫耳),一般都是經由金屬的催化,一步步地反應。氮氣可能先與金屬觸媒(M)生成 MN2,與氫氣反應經 MN2H2 得到 MN2H4,再與氫氣生成氨氣。目前世界上有很多化學實驗室,已經合成出許多 MN2、MN2H2 和 MN2H4 的金屬錯化物,並證實皆可與氫氣生成氨氣。因此,隨著對固氮酵素的了解,相信將來有機會發展出新的催化劑,來取代目前極耗能源的哈柏法,以大量取得含氮元素的化合物,直接或間接地解決糧食不足的問題。

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