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解密一个至关重要的生物过程

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  固氮过程  


是我们都非常熟悉的元素,它是构成氨基酸和核酸的基础元素。在地球的大气中,约78%是由氮气(N₂)构成的。尽管氮气如此丰富,但这种稳定的分子形式却无法被大多数生物直接利用。氮气必须通过固氮过程转化为氨(NH₃)或可被生物吸收的铵离子(NH₄⁺)


固氮途径仅有两种:工业固氮生物固氮。工业固氮通过哈伯-博施法实现,这项技术诞生于20世纪初,大幅推动了化肥的生产和农业产量增长。然而,工业固氮过程能耗极高,需要在高温高压运行,并依赖化石燃料产生大量氢气,同时伴随大量温室气体的排放。


相比之下,生物固氮是通过一类被称为固氮生物(diazotrophs)的细菌利用固氮酶完成的。固氮酶能够在常温常压下催化固氮反应,而且不会产生温室气体。但固氮酶需要消耗大量的三磷酸腺苷(ATP)作为能量来源。为了满足这一需求,大多数固氮生物通过“燃烧”氧气生成ATP。


然而,矛盾的是,固氮酶对氧气极为敏感,在暴露于氧气后会迅速失活。这种矛盾引发了一个长期未解的科学问题:固氮生物是如何在需要氧气生成能量的同时,又能有效保护固氮酶免受氧气损害的


近日发表于《自然》杂志的一项研究解决了这一科学难题,揭示了一种名为FeSII的关键蛋白在保护固氮酶免受氧气破坏中的作用。



  固氮酶的秘密  


固氮酶是一种大型且复杂的酶,它们由铁蛋白钼铁蛋白两种组分构成,铁蛋白和钼铁蛋白都会在氧气的存在下失去活性。因此,固氮生物发展出了多种机制来应对氧气的威胁。


尽管如此,氧气仍可能渗入固氮细胞。当氧气浓度升高时,这些生物会启动“最后手段”——构象保护机制,以确保固氮酶免受破坏。过去的研究表明,一种名为FeSII的铁硫蛋白在此过程中扮演了重要角色。


FeSII能与铁蛋白和钼铁蛋白形成了一个保护性复合物。当FeSII感知到氧气浓度升高时,它会与固氮酶结合,使铁蛋白和钼铁蛋白的活性被暂时抑制,保护其免受氧气的损害,同时暂停氨的产生;一旦氧气威胁消除,FeSII会从复合物中解离,使铁蛋白和钼铁蛋白恢复活性,并恢复氨的生产。



  FeSII的保护机制  


尽管科学家早在50多年前就已知道FeSII的存在,但尚不清楚它是如何保护固氮酶免受氧气破坏的。为了揭开这个谜团,研究团队采用了多种尖端技术,深入解析了这一机制的运作原理。


利用冷冻电镜术,研究团队捕捉到了FeSII与固氮酶蛋白的混合物的近原子级图像。他们观察到,FeSII夹在两种固氮酶蛋白之间,将它们连接成丝状结构。这种结构有效阻隔了氧气接触固氮酶的金属辅因子,同时诱导了酶的休眠状态。


此外,为了探究FeSII如何感知氧气水平,研究团队进一步使用了小角度X射线散射(SAXS)技术。结果显示,FeSII无论在氧气存在或不存在的情况下,都会发生形状变化。在氧气充足时,FeSII的形状变化能使其与其他蛋白紧密结合,形成丝状结构;而当氧气减少时,FeSII的结构会变得松弛,丝状结构解体,固氮酶重新被激活。


为了进一步确认FeSII的功能,研究团队还使用有着极快旋转速度的分析超离心机进行实验。在超离心机中,不同质量的蛋白质颗粒以不同的速度沉降——质量较大的颗粒沉降速度更快,而质量较小的颗粒则沉降较慢。通过这一方法,研究人员成功分析了蛋白质的质量变化,并进一步验证了FeSII感知到氧气时,它会促使其他固氮酶蛋白结合,形成更大的复合物和细丝结构



  应用潜力  


此次研究揭示了FeSII在保护固氮酶免受氧气损害中的分子机制,为理解生物固氮提供了重要线索。接下来,研究团队计划利用冷冻电镜断层扫描技术,在活细胞中捕捉这一机制的动态过程。


固氮酶是生物圈中最重要的酶之一,然而其功能的分子细节仍未被完全了解。此次对构象保护机制的揭示,不仅具有学术意义,还可能带来实际应用的革命性突破。如果能将固氮酶机制编码进植物细胞中,农作物将无需依赖人工化肥,从而减少温室气体排放。这对于缓解全球污染、满足不断增长的人口需求具有深远意义。


#参考来源:

#图片来源:

封面图&首图:Dan Meyers / Unsplash

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