解密固氮作用的機制

【本刊訊】植物在生長發育過程中共有10多種必需的元素,其中需求量最多的營養三要素是被稱為葉肥的氮(N)、花果肥的磷(P)、根肥的鉀(K),通常得視不同的生長階段而施加肥料,才能長得鮮綠飽滿、欣欣向榮;但是豆科植物卻可以生活在缺乏氮肥的土讓中,因為它們可以行固氮作用,自己抓住空氣裡的氮來利用。

固氮作用是自然界中最基礎的生化反應之一,讓氮元素能夠從大氣進入到植物體內,再經食物鏈被動物吸收,只是人們一直以來還未釐清此化學反應的全貌。今年9月23日發表在Nature期刊上的新研究,耶魯大學的科學家可能就破解了固氮作用的密碼。

豆科植物的根部由於住著共生細菌—根瘤菌(Rhizobium),根瘤菌透過固氮酶把游離的氮氣轉化成氮化合物(如硝酸鹽、氨、二氧化氮),進行固氮作用,植物才可吸收利用。

為什麼植物不能直接吸收氮氣,還要一道固氮的程序呢?由於大氣中的氮分子之間是很穩定的三鍵結構,需要把它轉化成其他化合物,被「固定」下來才能利用,而打斷鍵結需要極高的能量(ATP),又固氮酶必須避免接觸氧氣才能催化高能的固氮反應,因應之道就是仰賴根瘤中的豆科血紅素(Leghemoglobin),它如同人類的血紅素一般,其血基質和氧氣具有高親和力,可以攜帶大量氧氣供細胞行呼吸作用,製造大量ATP;同時血基質結合氧氣後,也可以降低根瘤內部游離的氧氣濃度。

人為的固氮方法中最常見的是工業用的哈柏法,利用氮氣及氫氣,在高溫高壓的環境下,加入催化劑鐵後,產生氨氣,之後再經一系列反應合成其他可用的含氮化合物。

以往人們對於固氮酶催化反應的過程不甚清楚,但近來已開始進行人為仿生固氮的研究,主要是以雙氮配合物為基礎,用鉬(Mo)和釕(Ru)等過渡金屬的雙氮配合物弱化氮-氮之間的三鍵,從而達到固氮的目的。

本項研究中,科學家發現到固氮作用發生在鐵-硫原子團上這個特別的現象,因為在任何其他的例子中,鐵-硫化合物都不會與氮氣發生反應。於是研究團隊設計了一個新的化合物,包含了兩個固氮作用本身的特性:具有大的屏蔽原子團以避免產生不需要的反應,以及弱的鐵-硫鍵,使外加的電子可以打斷鍵結。他們證明這是成功的設計,因為這個化合物可以與大氣中的氮結合,就跟植物的固氮作用一樣。

成功把氮固定下來之後,研究人員希望進一步能知道如何把氮催化成氨。研究團隊認為,自然系統的固氮方式比起哈柏法較為溫和,若能達到更簡易的合成方式,未來將可降低肥料的生產和運輸成本,對於糧食生產也有助益。

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