Fe蛋白
Fe蛋白由 nifH基因編碼 。對多種生物固氮酶鐵蛋白的一級結構的測定結果表明 , Fe蛋白都不含色氨酸 ,酸性氨基酸的含量均高于堿性氨基酸 ,各屬種間的同源性為 45% ～ 90%,說明鐵蛋白的基本結構較為保守 。
Fe蛋白是兩個相同的亞基組成的 γ2型二聚體 。二聚體的分子量約為 59 ～ 73kD(因菌種不同而差異 ),每個亞基的分子量約 30kD。 兩個亞基通過一個 [ 4Fe-4S]金屬簇橋連 ,每個亞基的核心是一個由 8個 β折疊片形成的平面 ,側面與 9條 α螺旋相連。在二聚體兩個亞基的界面之間還存在大量的氫鍵和靜電作用 。這些作用力很強 ,即使 [ 4Fe-4S]簇被抽提 ,鐵蛋白二聚體的結構仍能保持。
在 Fe蛋 白 上 有 3 種功 能 位 點 :[ 4Fe-4S] 簇 、MgATP結合 -水解位點 、ADP-R位點 。 前二者密切結合 ,關系到電子的傳遞 。有的固氮生物 (如巴西固氮螺菌 )的 Fe蛋白還含有 ADP-R位點 (ADP-核糖基化位點 ),參與固氮酶活性的調節 。在氨存在的情況下 ,由ADP-核糖轉移酶催化鐵蛋白的 ADP-核糖基化 ,抑制固氮酶活性 ;相反 , ADP-核糖糖基水解酶除去 ADP-核糖 ,解除對固氮酶的抑制 。
在固氮反應中 , [ 4Fe-4S] 簇改變氧還電勢作為分子間電子傳遞的驅動力。反應首先由 Na2S2O4 、鐵氧還蛋白 、黃素氧還蛋白 等電子供體提 供電子將 [ 4Fe-4S]2 +還原為 [ 4Fe-4S]1 +, [ 4Fe-4S]1 +再將電子傳遞給鉬鐵蛋白后 , [ 4Fe-4S]1 +再轉化為 [ 4Fe-4S]2 +。 傳遞一個電子要水解 2個 MgATP。
除了作為鉬鐵蛋白的專一性的電子供體外 , 鐵蛋白還具有以下功能 :參與鉬鐵蛋白 M-簇 (FeMoco)的生物合成 ,以及合成的 FeMoco插入鉬鐵蛋白的過程,并且可能對固氮酶體系的表達具有調控功能。
MoFe蛋白
Kennedy等人通過 SDS-PAGE法 ,發現鉬鐵蛋白含有兩種亞基 , 已經確定其為異四聚體 (α2 β 2 ),分子量約 220k～ 240kD之間 (因不同來源而異 )。α亞基分子量為 55kD,由 nifD基因編碼 , 大小約為 500個氨基酸 ,氨基酸序列的同源性在 47% ～ 66%,具有相當高的保守性。
在已知的 α亞基氨基酸序列中 ,有 5個 Cys殘基 (Cys62、Cys88、Cys154、Cys183、Cys275)是絕對保守的 ,可能和鉬鐵蛋白中金屬原子簇的生物合成有關。 nifK基因編碼的 β亞基分子量為 60kD, 氨基酸序列與 α亞基比較相似 。 α亞基和 β 亞基之間存在廣泛的相互作用 , 它們構成一個近似軸對稱的 αβ, 兩個αβ 二聚體以近似軸對稱的方式交聯起來 , 形成了 α2β 2四聚體 。
在鉬鐵蛋白中含有 M-簇和 P-簇兩種金屬原子簇 。P-簇是一類獨特的 [ 8Fe-7S]的原子簇 , 位于 α和 β 亞基二聚體的界面上 。它能夠進行多種氧化還原態的變化, PN經 過 不 同 程度 的 氧 化 為 P1 +、 P2 +、 P3 +及PSUPEROX。這些不同氧化態的 P-簇都具有獨特的電子順磁共振譜 (EPR)特征 , 為研究 P-簇的功能提供了有效的途徑 。P-簇是固氮酶反應中電子傳遞的中間體 ,負責接受和儲存來自鐵蛋白的 [ 4Fe-4S]簇的電子并將電子傳遞到 M-簇 。 M-簇位于鉬鐵蛋白的 α亞基內 , 僅通過 αCys275和 αHis472兩個氨基酸殘基與蛋白主鏈相連。它由一個 [ 4Fe-3S]簇和一個 [ 1Mo-3Fe-3S]簇通過 3個 S原子與二者中的 Fe連接而成的Mo1Fe7 S9原子簇 。 FeMoco上連有一個高檸檬酸分子 ,高檸檬酸分子通過 2個 O原子與 Mo連接 。 MoFe蛋白分辨率 1.16 的 X-射線晶體衍射顯示 , FeMoco內還存在一個輕的原子 , 它以 6個等同的鍵連接在 [ 4Fe-3S]簇和 [ 1Mo-3Fe-3S]簇的 3個 Fe原子 ,這個輕的原子可能是 N。
MoFe蛋白在固氮酶催化氮氣等底物過程中起催化 、絡合作用 。鐵蛋白中的 [ 4Fe-4S]簇將電子傳遞給MoFe蛋白的 P-簇 ,使其還原 , 然后 P-簇再將電子傳遞給 FeMoco,底物在此接受電子后被還原 。可見 , FeMoco是固氮酶的活性中心 , FeMoco的結構以及其周圍多肽環境的變化對固氮酶活性的影響是當前研究固氮催化機制的最活躍領域之一 。