固氮酶活性中心的结构和反应机理

1973年以来,各国许多学者提出了各自不同的固氮醇活化模型和作用机理。但都是考虑Mo原子既是吸附分子氮的中心,又是还原氮的中心。他们的设想主要建立在模型化合物体系还原氮成功的基础上。我们分析了Mo在固氮酶中价态,根据实验结果推测应为Mo(111)。从配位化合物取代反应理论考虑,Mo(111)为惰性反应。不宜作活化氮吸附中心。此外,我们又分析了固氮酶和钼铁硫簇化合物的许多性质。提出固氮酶催化还原底物应有双中心机理协同完成。一个是由二个Fe原子组成的吸附N_2中心,另一个是钼铁硫原子簇组成的电子还原中心。讨论了反应速率的决定步骤是电子传送。对固氮酶中Fe作底物吸附中心的可能性罗列了大量实验结果进行论证。并讨论了氮分子在二个Fe之间η_2吸附方式对活化氮最有利。用双中心机理顺利地解释了固氮酶的各种反应性。     

化学模拟生物固氮——ⅩⅣ EHMO法研究环丙烯等固氮酶底物的μ_3η~2型络合方式和分子氮还原加氢中间态

迄今所知的固氮酶十来种底物中,除极少数例外,大多数都是末端具有三重键(或环丙烯型的准三重键)的小分子。从这些底物的已知酶促反应和在固氨酶活性中心的相对配位亲合力,我们曾推断这些底物分子很可能是以相同的μ_3(η~2)型方式络合在固氮酶活性中心上的,并在此基础上提出了并联双座双立方烷型原子簇结构的活性中心模型。同时指出,对于那些末端有三重键但无“尾巴”的底物分子,如N≡N,C≡N~-,和HC≡CH,在三核活性中心(1Mo—2Fe)进行μ_3(η~2)型络合,有两种可能的方式即双端基加单侧基型络合和单端基加双侧基络合。本文报导了EHMO近似计算和定性的分子轨道讨论结果。结果表明:在环丙烯情况下,双(准)端基加单侧基型络合比单(准)端基加双侧基型络合在能量上要有利得多,而且它的络合键能相当大;在N≡N和HN≡C(假想的异氢腈酸)情况下,双端基(或准端基)加单侧基型络合比单端基加双侧基型络合在能量上亦较为有利;乙炔的情况也是这样,但两种络合方式的络合键能之差比较小。这些结果与下述的实验事实是一致的:环丙烯是固氮酶的底物,而且是N≡N酶促还原加氢的强竞争性抑制剂;两种按μ_3(η~2)型方式络合的炔烃过渡金属原子簇络合物都已发现。环丙烯和N≡N在三核活性中心的双端基(或准端基)加单侧基型络合也能较     

固氨酶活性中心模型的演进和酶催化机理

本文提出固氮酶活性中心的骈联双座双立方烷原子簇结构的活性中心模型,[S~*Fe_3S_2~*(L)]Mo[(L’)S_2~*Fe_3S~*],其中L和L’代表两个可以移开的配位体,如N_2,-H,或-NH_3。这个模型是前阶段先后提出的骈联双座单立方烷原子簇结构模型,Fe_2S_2~*·Mo_2O_2,和骈联双座三立方烷原子簇结构模型,Fe_2S_c~*(L)(L’)Mo_2[S_3~*Fe_3S~*]_2,的又一次演进。这三个模型所共有的骈联双座原子簇结构特征和三核络合固氮方式,主要都是以固氮酶己知反应的十来种底物和抑制剂CO作为化学探针并应用络合催化原理而推断出来的。至于钼离子的价态和周围微环境,以及三核究竟是两钼一铁还是一钼两铁,则是参考最近国际上关于固氮酶的科学实验新成就而作出相应的修正和演进的。骈联双座双立方烷原子簇结构(含单钼)比较符合Orme-Johson和Munck等的顺磁共振和穆斯鲍尔谱实验结果,能说明比较多的实验事实。本文还扼要地讨论了固氮酶反应中ATP驱动的电子和质子传递机理。     

固氮酶活性中心模型和铁钼辅基模拟体合成的研究进展

前阶段(1973—1976),我校蔡启瑞教授以固氮酶的十来种底物作为化学探针,并根据络合催化原理,直接推断N≡N,n—R—C≡N,n—R—N≡C,n—R—C≡CH等固氮酶的底物分子是按μ_3(η~2)方式配位络合在三核活性中心上的(但从当时已知的科学实验,尚未能确断活性中心究竟含一个或两个钼),并进一步推断两个这样的三核活性中心通过共用钼而骈联在一起,成为骈联双座的结构,从而提出了第一个立方烷原子簇结构的固氮酶活性中心模型。1977—1978年,又进行了两次演进,于1978年7月首先提出钼上不含有机硫配位体的骈联双座双立方烷的固氮酶活性中心模型,即“厦门模—Ⅲ型”[S Fe_3S_2(L)]Mo[(L′)S_2Fe_3S]。其中L和L′代表两个活动的配位体。这模型能较好地说明许多实验事实,并为合成铁钼辅基模拟体指出了方向(上述这一模型和“厦门模型—Ⅱ”、“福州模型—Ⅱ”的关系,详见文献[2]b和[3])。     

化学探针方法研究固氮酶M—簇和P—簇对的结构与功能关系

根据配位催化原理和化学探针思路，推断了野生菌固氮酶在酶促固氮反应中（Ｍｏ）位直接参与结合分子氮（Ｎ＝Ｎ）；论证了固氮酶钼铁蛋白Ｍ－簇（Ｋｉｍ－Ｒｅｓｓ模型）必须是活口的钼－铁－硫原子簇笼，对底物和抑制剂有人子识别能力，只有Ｎ＝Ｎ才能作为底物络合在（Ｍｏ－３Ｆｅ，３Ｆｅ）七核活性中心，而且必须有一条质子（和电子）接力传递链到达（Ｍｏ）位，Ｎ＝Ｎ才能排去氢基配体而进到（Ｍｏ）位，（否则就只能象ＨＣ＝Ｃ     

酶催化与非酶催化固氮成氨

讨论了共边双立方烷原子簇结构的固氮酶活性中心模型和固氮酶大多数底物μ_5-(η~2)型的络合方式。设计了合成FeMo co模型化合物的方法,重复性较好地得到FeMo co模型化合物粗结晶样品,这种样品具有所预期的Mo:Fe:S~*:Cl元素比、较高的催化活性和选择性,以及一定的组合固氮酶活性(约为FeMo co重组活性的3-6％)。根据这个模型,较圆满地阐明十多种底物的酶促反应机理,包括统一地解释了N_2,Ar,CO或CN~-四者分别存在下的酶促放H_2机理。根据实验和文献资料,提出比较精细的二步ATP驱动的电子传递机理,能说明Mortenson等观察到的ATP/2e比值随ATP/ADP比值变化的情况。扼要讨论了氨合成铁催化剂的原子簇活性中心本质,N_2化学吸附的可能模式,以及在铁催化剂上氨合成缔合式机理的一些论据。指出了固氮酶与铁催化剂在配位络合和催化作用的密切关系。     

花生根瘤菌在自生条件下固氮和吸氢相关性

花生根瘤菌x_(-1)菌株在自生条件下和合适的培养基中,可诱导固氮酶及氢酶的活性,固氮酶反应产生的H_2(内源H_2)能直接诱导氢酶,氢酶活性表达的时间进程是在固氮反应之后,在外源H_2的存在下,固氮酶和氢酶则可同时表达,不同有机碳化合物对固氮酶与氢酶的影响不同,丙酮酸明显提高固氮活性,但对氨酶没有促进作用,蔗糖对固氮活性没有促进作用但对吸氢表现促进作用,分子H_2明显提高固氮活性,2.4-二硝基苯酚抑制需H_2的固氮活性,在外源H_2存在下其抑制作用更明显,铵抑制固氮酶的形成、固氮酶受铵抑制时氢酶也相应受到抑制。     

苯硫酚对固氮酶催化活性的影响

研究了苯硫酚对棕色固氮菌固氮酶催化底物还原活性的影响．结果表明；当反应体系中固氮酶钼铁蛋白与苯硫酚的摩尔比为1:4时．固氮酶的乙炔还原活性比对照组下降了62．3％，下降的幅度随着苯硫酚浓度的升高而增大；但在乙炔存在的情况下，固氮酶的放H2活性随着苯硫酚的浓度的升高而升高．在氩气氛下，苯硫酚浓度的升高对固氮酶放H2活性的影响不明显．这一现象有可能是由于苯硫酚取代与铁钼辅基的Fe1原子连接的半胱氨酸的巯基而引起的．     

SmI2催化的烷氧羰基及腈基与酮羰基的竞争性分子内还原偶联反应

报道了SmI2催化的含有烷氧羰基、腈基和酮羰基的底物发生了分子内竞争性的还原偶联反应,得到了烷氧羰基和酮羰基偶联的烯醇式产物.     

K148与K149对黑曲霉NRRL3135植酸酶A与植酸结合机制的影响

为了研究黑曲霉NRRL3135植酸酶A K148与K149对底物与酶的结合反应的影响,构建了一个单位点突变体(K148E)和一个双位点突变体(K148E和K149E),由于带电的氨基酸残基发生变化,造成这2个突变体的酶活性都有不同程度的减少,利用InsightII软件模拟了2种突变体酶的3-D结构,发现酶分子突变位置的表面电势有明显的改变.这2个α-螺旋(141～160)位点的改变可能降低了活性中心附近的底物浓度,减缓了底物与活性中心的反应速度.     

对甲氧基肉桂酸对酪氨酸酶的抑制机理

以L-酪氨酸和L-多巴为底物研究了对甲氧基肉桂酸对酪氨酸酶的抑制能力,结果表明,对甲氧基肉桂酸对酪氨酸酶催化单酚底物L-酪氨酸有较强的抑制作用,但对酪氨酸酶催化二酚底物L-多巴没有抑制作用.文中采用荧光光谱以及分子对接手段探讨了对甲氧基肉桂酸对酪氨酸酶的抑制机理,认为对甲氧基肉桂酸对酪氨酸酶的荧光光谱属于静态猝灭,在酪氨酸酶活性中心与酪氨酸酶结合形成复合物,以氢键和疏水作用力稳定结构;在酪氨酸酶活性中心,对甲氧基肉桂酸占据了单酚底物的空间位置,对酪氨酸酶的抑制应该是一种竞争性抑制.     

固氮鱼腥藻HB686固氮_放氢与谷氨酰胺合成酶的关系

固氮鱼腥藻HB686(Anabaena azotica HB686)的固氮和放氢被氨抑制与蛋氨酸砜亚胺(MSX)解除氨抑制的作用呈平行关系.谷氨酰胺能抑制固氮和放氢,而对谷氨酰胺合成酶(GS)和吸氢酶却有激活作用.固氮血腥藻在Mg~(2+)介质中的乙炔还原活性和放氢量皆比在Mn~(2+)介质中的高,而GS的活性则相反.不同波长的光照射对固氮、放氢和GS活性有不同的影响.     

簇结构敏感型的过渡金属催化作用及其与原子簇络合物催化作用的关联

本文根据原子簇活性中心的概念,讨论过渡金属催化剂上炔烃的选择加氢,甲基异腈的异构化为C腈,分子氮的加氢成氨,水煤气费—托合成,以及苯的氢氘同位素交换等簇结构敏感型的催化反应和催化作用机理,及其与过渡金属络合物配位化学,尤其是与过渡金属原子簇络合物(包括固氮酶)的配位络合催化作用的相互关联;并指出,深入研究这种关联对于建立催化剂分子设计的科学基础具有重要意义。     

化学模拟生物固氮——Ⅶ.乙炔选择性还原成乙烯作为原子簇活性中心多核络合活化底物的一种判据

系统地比较了FeMo-co和固氮酶的各种模拟体系在KBH_4还原乙炔为乙烯的反应中的催化活性和选择性。FeMo-co(活性:转变数为34;选择性:99％C_2H_4)和本实验室合成的模型化合物(活性:转变数为20～30;选择性;91～95％)比其它固氮酶的模拟体系(MoO_4~(2-)-CySH;MoO_4~(2-)—CySH—Fe~(2 );MoOS_4~(2-)—胰岛素;[Fe_4S_4(SCH_2Φ)_4]~(2-);和MoS_4~(2-))具有较高的活性和选择性;这可作为FeMo—co及其合成模拟物的原子簇活性中心多核络合活化底物分子的一种判据.     

棕色固氮菌氢酶的分离纯化及其性质

Stephenson和Stickland首先发现了可逆性催化分子氢活化的氢酶。此后人们发现氢酶广泛地存在于各种类型的细菌中。Dixon指出氢酶可能有三种功能:(1):通过氧化氢消除氧;(2)解除氢对固氮酶的抑制作用;(3)补充在循环中由于释放氢而消耗的能量。他还指出氢的氧化作用与磷酸盐的酯化相偶联。鉴于氢酶在固氮过程中的重要意义,弄清氢酶与固氮酶的相互关系对于阐明生物固氮机制将是重要的。然而以往对于氢酶的分离纯化多限于嫌气性固氮微生物,而对好气性固氮微生物的氢酶所做工作不多。为此,我们结合以往的工作,对棕色固氮菌的氢酶进行了分离提纯和性质的探讨,以期逐步解决氢酶和固氮作用的关系。     

CpCl（PH3）Os（HC≡CH）络合物中的炔基配体异构化的理论研究

利用密度泛函理论首次研究了CpCl(PH3)Os(HC≡CH)中的乙炔到乙烯叉配体的异构化过程.对该体系的异构化过程提出了几条可能的反应机理:一条是包含1,2-H转移的机理;还有两条是发生1,3-H转移,但是这两条机理中的1,3-H转移的过渡态结构不同.上述三条机理都是属于分子内氢转移的异构化路径.第四条是双分子间氢转移的机理.通过理论研究,给出了上述各反应路径的势能面图.研究结果表明,对该模型化合物,双分子间氢转移的机理具有较低的反应势垒,因此是可能的反应通道.     

花生根瘤菌某些菌株在自生条件下的吸氧活力

用气相色谱法和亚甲蓝去色反应检测29个花生根瘤菌菌株的吸氢性能,只有5个菌株能吸氢·吸氢活力最高为689n mol H_2/mg prot.h.选试的四种培养基中以吸氢培养基对根瘤菌株吸氢活力效果最好,在该培养基中菌株不表现固氮酶活力.在不固氮情况下,外源氢是诱导吸氢活力的必需条件.培养基中的碳源浓度对菌株吸氢活力有明显的影响,高浓度的碳源抑制吸氢.一氧化碳和乙炔对菌株L8 3吸氢的抑制程度比菌株35_1小得多.     

α-芳族酮酸钛盐和锂试剂还原反应机理初探

对钛调整体系中的一种新的还原反应的机理进行推证，证明体系的还原反应中存在一种类似Meerwein-Ponderf-Verley还原反应的分子内氢迁移反应，同时证明体系中的锂试剂以2种不同的方式促进了该还原反应的进行。     

3,5-二溴BODIPY与末端芳炔Sonogashira偶联反应的研究

以3,5-二溴-8-(4-甲苯基)BODIPY为底物与不同芳炔进行Sonogashira偶联反应合成了3个不同的BODIPY荧光染料,使用红外光谱、核磁氢谱、碳谱、质谱等方法对其结构进行了表征.通过改变反应时间、反应温度、催化剂种类和用量、底物结构追踪Sonogashira偶联反应过程,探索最佳反应条件,发现采用Pd(PPh3)2Cl2和CuI共催化时,且催化剂用量为1∶1(4mol%),反应温度为45℃,时间为5h时,单取代产物的产率最高,达到40%.利用Sonogashira偶联反应对BODIPY进行功能化,不仅合成简捷、条件温和、产率高,而且可以有效地调控BODIPY的共轭程度,拓宽其应用范围.     

低价钛盐还原反应的研究 I.低价钛盐还原偶联芳酮为烷烃

本文报导用低价钛盐还原偶联芳酮为烷烃的反应。用锌粉还原四氯化钛而制得的低价铁盐与芳酮在四氢呋喃回流下作用生成高产率的偶联的烷烃,在这个反应中高位阻的二酮也能分子内还原偶联成环烷烃。