性質(zhì)：又稱氧化型硫氧還蛋白S2。系一種由煙胺腺嘌呤二核酸磷酸(NADP)催化的硫氧還蛋白還原酶類。廣泛存在于生物界，它能使核糖核苷酸還原成相應(yīng)的脫氧核糖核苷酸的酶系中的重要一員。它的底物通常為硫氧還蛋白-S2(thioredoxin-S2)。它本身是一種含有黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)的黃素蛋白酶類，EC1.6.4.5叫其主要作用是使氧化型硫氧還蛋白的胱氨酸殘基還原，變成一對(duì)半胱氨酸殘基。后者進(jìn)一步成為核糖核苷酸還原的電子供體。它作為生化試劑主要從大腸桿菌、酵母及動(dòng)物肝臟中提取。
簡(jiǎn)介
分子式：
CAS號(hào)：
作用性
生物固氮作用（biologicalnitrogenfixatio）：大氣中的氮被原還為氨的過(guò)程。生物固氮只發(fā)生在少數(shù)的細(xì)菌和藻類中。
估計(jì)全球每年生物固氮作用所固定的氮（N2）約達(dá)17500萬(wàn)噸，其中耕地土壤約有4400萬(wàn)噸，超過(guò)了每年施入土壤4000萬(wàn)噸肥料氮素（工業(yè)固氮）的量（Burris，1977）。因此，生物固氮作用有很大潛力。
固氮微生物種類：到1982年固氮微生物達(dá)70多個(gè)屬，大多數(shù)是原核生物（細(xì)、放、藍(lán)菌門(mén)），也有真菌。根據(jù)固氮微生物與維管植物以及其他生物關(guān)系，分為二個(gè)類型。
1．自生固氮微生物——在土壤中或培養(yǎng)基中，獨(dú)自生活時(shí)能固定了氨態(tài)氮。在進(jìn)行固氮作用時(shí)對(duì)植物或其它生物沒(méi)有明顯的依存關(guān)系。
有好氣性、厭氣性、兼厭氣性有化能自養(yǎng)異養(yǎng)，光能自養(yǎng)、異養(yǎng)型生固氮微生物。
2．共生固氮微生物――二種微生物緊密地生長(zhǎng)在一起時(shí)，由固氮的共生菌進(jìn)行分子態(tài)氮的還原作用。
自生固氮微生物生物固氮作用的條件：
1、防氧保護(hù)系統(tǒng)（好氣性固定微生物需具備之）；
2、能量和電子供體，以及傳遞電子的電子載體系統(tǒng)；
3、固氮酶催化系統(tǒng)；
4、氨、氨基酸同化成蛋白質(zhì)系統(tǒng)；
共生固氮微生物生物固氮作用的條件則更復(fù)雜。
生物固氮系統(tǒng)
具有生物固氮能力的僅限于原核生物，即細(xì)菌和藍(lán)菌門(mén)。有些固氮微生物，如藍(lán)綠藻自生于陸地或水域生態(tài)系統(tǒng)中，其他則群生于寄生植物的根際，其中對(duì)維管植物最為重要的有與豆科或結(jié)瘤的非豆科植物共生的固氮微生物。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中主要有三種固氮體系，即共生固氮、聯(lián)合固氮和自生固氮體系。三種固氮體系中，能源和固氮能力都存在明顯差異。共生體系由于固氮微生物直接從寄主植物獲得碳水化合物作為固氮能源，其固氮能力最強(qiáng)。豆科(Leguminosae)植物近2000個(gè)種中約有15%具有共生固氮系統(tǒng)，其中近300種豆科植物中有90%與根瘤菌共生形成根瘤。如大豆、蠶豆、三葉草、苜蓿屬與根瘤菌的共生，是農(nóng)業(yè)中最重要的共生體系。在森林和林地中有8個(gè)科23個(gè)屬的植物與固氮微生物形成共生體系。如榿木屬(Alnus)和木屬(Ceanothus)與放線菌之間形成結(jié)瘤共生體系。這些非豆科是缺氮土壤的先鋒植物。
豆科植物根上的根瘤是由于根瘤菌侵入根部后形成的，根瘤是固氮的場(chǎng)所。根瘤菌侵入寄主的過(guò)程很復(fù)雜。在根瘤菌入侵寄主根毛或表皮細(xì)胞之前，土壤中的根瘤菌是一種不能運(yùn)動(dòng)的小球菌(圖5-19)。由于植物根分泌物(氨基酸、維生素)的影響，這些小球菌產(chǎn)生鞭毛，具有移動(dòng)侵入寄主的能力。根瘤菌在根表面分泌某種未知物質(zhì)(分子)使根毛彎曲。這種物質(zhì)的分泌受到根釋放成分(如類黃)的促進(jìn)。此后，根瘤菌分泌酶溶解根毛細(xì)胞壁，根瘤菌隨即由此處侵入根毛，根毛形成侵染絲(infectionthread)。根瘤菌在侵染絲中大量繁殖隨侵染絲進(jìn)入皮層。根瘤菌被釋放到皮層細(xì)胞質(zhì)中，刺激細(xì)胞的分裂和生長(zhǎng)形成根瘤(rootnodule)(圖5-19)。根瘤中大部分為含有根瘤菌的四倍體細(xì)胞，只有少部分為未被侵染的二倍體細(xì)胞。成熟根瘤中的根瘤菌失去鞭毛而成為不能移動(dòng)的類菌體(bacteriod)，一個(gè)典型的根瘤細(xì)胞中通常含有數(shù)千個(gè)類菌體，這些類菌體在細(xì)胞內(nèi)聚成一個(gè)個(gè)小群體，每個(gè)小群體有數(shù)個(gè)類菌體組成(大豆根瘤中為4～6個(gè))。每群體外面有一層膜包著，此膜稱為類菌體外周膜(peribacteroidmembrane)，在此膜與類菌體之間的空間稱為類菌體外周空間(peribacteriodspace)。在類菌體外周膜以外的細(xì)胞質(zhì)中存在著豆血紅蛋白(leghemoglobin)。此蛋白含有紅色的血紅素基團(tuán)(hemegroup)。據(jù)認(rèn)為豆血紅蛋白的作用是為類菌體在嚴(yán)格控制的條件下供應(yīng)氧。因?yàn)轭惥w的呼吸作用需要氧，但過(guò)多的氧則會(huì)抑制催化氮素固定的固氮酶的活性。
根瘤中的固氮作用只在類菌體內(nèi)進(jìn)行。寄主植物向類菌體供給碳水化合物，主要形式是蔗糖。類菌體利用這些糖進(jìn)行呼吸作用，產(chǎn)生電子和atp，將N2還原成NH4+。
2.固氮的生物化學(xué)與生理學(xué)
生物固氮的總反應(yīng)式如下：
N2+8e+16MgATP+16H2O→2NH3+H2+16MgADP+16Pi+8H+
催化此反應(yīng)的酶是固氮酶。固氮酶是多功能的氧化還原酶，除了還原N2以外，還能還原多種類型的底物，如乙炔、氰化物、氧化亞氮、聯(lián)氨、疊氮化物和H+等。用氣相色譜儀能很容易測(cè)定乙炔還原成乙烯的產(chǎn)生量，這為研究固氮酶活性提供了極為簡(jiǎn)單的方法。該法對(duì)生物固氮研究取得重大進(jìn)展發(fā)揮了作用。
固氮酶由鐵蛋白(Fe-Moprotein)和鐵蛋白(Fe-protein)組成。這兩個(gè)蛋白單獨(dú)存在時(shí)都不呈現(xiàn)固氮酶活性，只有兩者聚合構(gòu)成復(fù)合體時(shí)才有催化氮還原的功能。鐵鉬蛋白由分子量分別為51kD和60kD的2個(gè)α亞基和2個(gè)β亞基組成的四聚體(α2β2)，分子量約為220～245kD。每分子鐵鉬蛋白含有兩個(gè)鉬原子，28個(gè)鐵原子。鐵蛋白的分子量在59～73kD之間，由兩個(gè)分子量同為30kD的亞基組成(γ2)。鐵蛋白含有4個(gè)鐵原子。在氮還原為NH4+的過(guò)程中，固氮酶中的Fe和Mo都發(fā)生氧化還原反應(yīng)，如圖5-20所示。類菌體利用碳水化合物進(jìn)行呼吸作用產(chǎn)生NADH或NADPH和atp。已經(jīng)查明，固氮的天然電子傳遞體(供體)有鐵氧還蛋白、黃素氧還蛋白等。固氮生物體內(nèi)存在著ATP和二價(jià)的金屬離子(如Mg2+)是固氮不可缺少的條件。只有在Mg2+的作用下，ATP才可以與Fe蛋白結(jié)合，而且必需有Fe-Mo蛋白的參與才發(fā)生ATP水解反應(yīng)。Fe蛋白將電子傳遞給Fe-Mo蛋白的同時(shí)伴隨著ATP水解產(chǎn)生ADP。Fe-Mo蛋白最后將電子傳遞給N2和質(zhì)子，產(chǎn)生2分子NH3和1分子H2。
固氮酶對(duì)氧敏感，其催化反應(yīng)需在厭氧下進(jìn)行。除了專性厭氧的生物外，氧對(duì)其他固氮生物的固氮酶有損傷作用，但這些生物通過(guò)呼吸作用產(chǎn)生固氮必需的atp又需要氧，所以高效率的固氮作用一般是在微氧下進(jìn)行的。不同固氮生物避免氧對(duì)固氮酶?jìng)Φ臋C(jī)制各異。如具有異形胞的藍(lán)藻的固氮功能主要在異形胞中進(jìn)行，這種細(xì)胞外有一層防氧進(jìn)入的糖脂組成的外膜，缺少水光解放氧的PSⅡ，其中戊糖磷酸途徑的兩種酶活性較低，而臭氧物歧化酶和脫氫酶活性都比較強(qiáng)，使異形胞保持了一個(gè)微氧環(huán)境。豆科的根瘤中類菌體有一層類菌體周膜，瘤內(nèi)皮層內(nèi)側(cè)細(xì)胞排列緊密并形成間隙，兩者對(duì)于保持類菌體的低氧環(huán)境十分重要。此外，根瘤細(xì)胞內(nèi)的豆血紅蛋白也部分地控制著類菌體氧氣的需求。在非豆科植物共生固氮體系中，在與放線菌共生的瘤中有囊泡存在，這種囊泡可能與藍(lán)藻的異形胞一樣具有防氧功能。很明顯，共生體系中的根瘤本身就是一個(gè)良好的氧保護(hù)系統(tǒng)。
在類菌體內(nèi)合成的NH3(很可能是NH4+)要從類菌體內(nèi)運(yùn)出來(lái)，才能參與寄主植物中的代謝。在含類菌體細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，NH4+轉(zhuǎn)化成谷酰胺、谷氨酸、天門(mén)冬酰胺和酰。這些物質(zhì)由轉(zhuǎn)移細(xì)胞分泌到木質(zhì)部，運(yùn)輸?shù)街参锏钠渌糠帧?/p>
由于生物固氮的重要性，有關(guān)控制生物固氮的環(huán)境與遺傳因素的研究受到重視。研究表明，凡是能增加植物光合作用能力的因素，如合適的水分、溫度、強(qiáng)光照和高CO2水平等都可以促進(jìn)固氮作用。豆科與固氮生物的遺傳因素也影響固氮作用的速率和產(chǎn)量。例如其中一個(gè)遺傳因素是豆科植物的結(jié)瘤能力，它依賴于根瘤菌與寄主植物之間的由遺傳控制的識(shí)別過(guò)程。為提高結(jié)瘤能力，科學(xué)工作者正在進(jìn)行改造根瘤菌基因以及選擇合適的寄主品種的研究工作。另外一個(gè)遺傳因素是固氮酶在還原N2的同時(shí)還原H+。由總反應(yīng)式可見(jiàn)，固氮酶催化的反應(yīng)中有1/4的電子用于還原H+產(chǎn)生H2。而H2被還原后逸出進(jìn)入大氣，這個(gè)過(guò)程使能量白白浪費(fèi)。不過(guò)，大多數(shù)根瘤菌和自生固氮細(xì)菌均含有氫化酶，該酶將H2氧化成H2O，這一過(guò)程推動(dòng)由ADP和Pi合成atp的反應(yīng)。有研究表明，與具有較高氫化酶活性的根瘤菌共生的豆科(如大豆)的產(chǎn)量比與無(wú)氫化酶活性的根瘤共生的稍高。可能是前者減少了能量的浪費(fèi)。基于這種認(rèn)識(shí)，通過(guò)基因工程技術(shù)可能會(huì)獲得具有更高活性的氫化酶的根瘤菌并增加豆類產(chǎn)量。此外，用基因工程技術(shù)將固氮基因?qū)敕嵌箍浦参锔偈惯@些植物固氮的工作也獲得了一定的進(jìn)展。
植物的不同生長(zhǎng)階段會(huì)影響生物固氮作用。如大豆、花生、木豆，通過(guò)生物固氮固定的氮素中90%在生殖階段中進(jìn)行，而10%在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)程中進(jìn)行。奇怪的是，幾種豆類的生物固氮提供的氮素僅為其一生所需總氮量的1/4至1/2，其余主要在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段從土壤中吸收NO3-或NH4+。不過(guò)，多施氮肥并不能增產(chǎn)。原因是植物對(duì)氮肥吸收增加反而使生物固氮能力下降。硝酸鹽肥料的影響有幾個(gè)方面：抑制根瘤菌與根毛的接觸，中止侵染絲的形成；根瘤生長(zhǎng)緩慢，抑制已成熟根瘤的固氮作用；當(dāng)增施NO3-和NH4+時(shí)，加速根瘤的衰老。
參考資料 >
黃素氧還蛋白溶液結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)的核磁共振研究.萬(wàn)方數(shù)據(jù).2012-08-11