光合作用和生物固氮是供养人类的两种基本生命过程,对紫细菌反应中心的结构进行的研究结果,曾荣获了诺贝尔奖金;从而极大地提高了人们对光合作用的认识能力。现在,金(Kim)和里斯(Rees)在这期《自然》杂志上,以2.7 ?的分辨率揭示了维涅兰德固氮菌(Azdtobacter Vinelandii)的铜-铁蛋白质固氮酶的结晶学结构。识别了存在于它和光合成反应中心之间的5押相似性(亚级的两种类型;单向的电子转移;隐匿的可还原的基质位点;分离的质子和电子转移路线;在光俘获和ATP水解过程中,无效地能量偶合)。他们还为MoFe蛋白质的电子转移和能量转导(ATP水解)配偶体的连接问题,提出了一种模式。里斯领导的研究小组,最近也以2.9 ?的分辨率,解决了蛋白质的结构问题。

生物学上的固氮,将双原子的氮分子N2转化成氮(NH3),是普遍限于能合成固氮酶的一定原核生物中的一种反应。该反应必须高能量的输入,每固定一个N2分子,至少需要相当于大约16个ATP水解;其能量(ATP)直接来自发生在同一生物体内的光合成作用(例如蓝细菌和其它光合成细菌);或间接来自所供给的还原碳基质。就商业性根瘤菌属中的重要细菌而言,是通过豆科植物(例如大豆)发挥作用,在其根部形成有益的根瘤。增加生物氮的固定将会提高粮食产量,尤其是在第三世界国家,降低成本和减少因流入地面及地下水中的肥料所造成的污染问题。

固氮酶MoFe-蛋白质是相对分子量约为240 K的—种α2β2四聚体。α和β亚级,分别由491和522个氨基酸组成。该四聚体包含了30个Fe和2个Mo原子,以两种类型的金属束形式出现。金和里斯已模拟了这些结构。亚级的每一个α-β对,包括一个“P-束”,组成两个4Fe-4s立方体,被Fe原子之间的两个半胱氨酸硫桥维系在一块;在每一立方体的临近角处的两个亚硫之间,大概还存有第三个二硫键。在每一亚级中发挥作用的,不仅仅是桥连半胱氨酸,还有两个另外的半胱氨酸,通过协助固定在束的角处4个Fe原子而发挥作用,将其固定在αβ-亚级的界面上。

和在其他蛋白质中出现的Fe-s束相比,上述束是极不寻常的。电子顺磁共振(EPR)光谱学业已表明,在其余酶内,所有的Fe都是以亚铁形式存在。企图制备包含(4Fe-4s)束稳定模式复合物的努力,至今还没成功,推测起来,是因为高负电荷密度。金和里斯表明,在固氮酶内,虽然“P-束”被掩埋在一种起支配作用的疏水环境中,但每一对都固定于能够提供必需静电稳定作用的6个螺旋的氮基末端处。瞬时动力学和EPR的结果暗示,通过电子转移到金属中心的第三种形式中,P-束得到氧化,处于催化循环中的关键点上,当二氮(N2)被不可逆地还原(固定)到氨中时。

FeMo-辅助因子,大概是N2结合的位点。虽然还不清楚,N2的相互作用,最初是和Mo、Fe或S-2化合物。查特(Chatt)和其他人所进行的化学研究结果指出,N2的激活发生在Mo中,但FeMo-辅助因子的结构指出了激活是在Fe中的一种可能性。辅助因子中7个Fe原子中的其中6个,具有锥形的配位几何形状,因此从配位上讲是不饱和的,潜在着N2激活的位点。最近激活的N2,在Fe(o)络合物上面产生NH2,对这种观点提供了进一步的支持。

在乌头酸酶中,4Fe-4s位点暗示,FeMo-辅助因子被固定在α-亚级中三个区域的边界处,假如Fe蛋白质被连接进MoFe蛋白质内,是如金和里斯所模拟的那样,那么就很有可能是,一种电子转移路线,从Fe蛋白质开始向P-束运行,然后到达它的FeMo辅助因子配偶体。对于每一次跳跃,关系10-14 ?的距离;Fe蛋白质的氧化速度(200 s-1),和通过蛋白质模型的电子转移理论相吻合。

认识固氮酶如何发挥作用的关键,在于搞清Mg-ATP水解成质子和电子转移的偶联机制。对于激活和结合N2,必要质子自由进入低电势的金属位点,这很可能会导致无控制的H2产生。对NH3的形成,尚必要N2的质子化作用。在MoFe蛋白质结构的启迪下,我们能够开始解决这一难题。因为对于N2来讲,它确定了电子和质子进入FeMo辅助因子中的可能路线。

在固氮酶和至少另外两个依靠ATP/GTP的能量转导系统之间的结构及动力学上的这种相似性,和致癌基因产物P21及肌动球蛋白,都在引起人们的极大兴趣。他们对固氮酶的结构与功能所进行的研究,其深刻意义,已远远超越了氮固定的自身范围。

[Nature,1992年12月10日第6404期]