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细菌将亚硝酸盐和氨转化为二氮和水,氮循环和氨氧化细菌如何促进亚硝酸盐转化为氮气

23 8月 , 2019  

大气和有机物之间的氮交换对地球上的生命至关重要,因为氮是蛋白质和DNA等基本分子的主要成分。这种交换的一种主要途径是在某些细菌中发现的氨氧化细菌途径,这种途径直到上世纪90年代才被发现。它通过联氨进行,联氨是一种高度反应的物质,被人类用作火箭燃料。马克斯普朗克医学研究所研究人员与荷兰马克斯普朗克生物物理研究所和内梅亨大学的科学家合作,现在描述了执行这一过程最后一步的酶结构:将肼转化为氮气,并以这种方式获取释放出来的能量。

大气和有机物之间的氮交换对地球上的生命至关重要,因为氮是蛋白质和DNA等基本分子的主要成分。这种交换的一种主要途径是在某些细菌中发现的氨氧化细菌途径,这种途径直到上世纪90年代才被发现。它通过联氨进行,联氨是一种高度反应的物质,被人类用作火箭燃料。马克斯普朗克医学研究所研究人员与荷兰马克斯普朗克生物物理研究所和内梅亨大学的科学家合作,现在描述了执行这一过程最后一步的酶结构:将肼转化为氮气,并以这种方式获取释放出来的能量。

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这些研究结果发表在《科学进展》上,显示了一个前所未有的血红素群网络,用于处理化学转化过程中释放的大量电子。氮以氮气的形式存在,占我们大气的80%左右,但作为一种元素,氮只在地壳中少量存在。然而,所有的生物体都需要氮,因为氮是大部分基本分子的一部分。然而,它们不能直接使用大气中的氮,也不能以不同的化学形式需要它。许多细菌进行这样的转化,并通过产生更多反应形式的氮来促进生化氮循环。

这些研究结果发表在《科学进展》上,显示了一个前所未有的血红素群网络,用于处理化学转化过程中释放的大量电子。氮以氮气的形式存在,占我们大气的80%左右,但作为一种元素,氮只在地壳中少量存在。然而,所有的生物体都需要氮,因为氮是大部分基本分子的一部分。然而,它们不能直接使用大气中的氮,也不能以不同的化学形式需要它。许多细菌进行这样的转化,并通过产生更多反应形式的氮来促进生化氮循环。

氨氧化细菌,中间捷径

氨氧化细菌,中间捷径

20世纪90年代,科学家们发现了一种叫做厌氧氨氧化的细菌过程。海德堡MPI医学研究小组组长托马斯·巴伦兹解释说:我们现在认为,每年海洋中30%到70%的氮都是由这一过程造成。Radboud大学Cornelia
Welte补充说:由于这种特性,氨氧化细菌在全世界都被用于可持续废水处理。在这个过程中,细菌将亚硝酸盐和氨转化为二氮和水,同时为细胞产生能量,分子肼是在中间步骤中产生。联氨是火箭燃料的一种常见成分,但它作为一种代谢燃料被细菌使用相当奇特。

20世纪90年代,科学家们发现了一种叫做厌氧氨氧化的细菌过程。海德堡MPI医学研究小组组长托马斯·巴伦兹解释说:我们现在认为,每年海洋中30%到70%的氮都是由这一过程造成。Radboud大学Cornelia
Welte补充说:由于这种特性,氨氧化细菌在全世界都被用于可持续废水处理。在这个过程中,细菌将亚硝酸盐和氨转化为二氮和水,同时为细胞产生能量,分子肼是在中间步骤中产生。联氨是火箭燃料的一种常见成分,但它作为一种代谢燃料被细菌使用相当奇特。

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氮循环和氨氧化细菌如何促进亚硝酸盐转化为氮气。图片:MPI for Medical
Research

氮循环和氨氧化细菌如何促进亚硝酸盐转化为氮气。图片:MPI for Medical
Research

而且在生物体中令人惊讶,因为它具有很高的毒性。到目前为止,联氨只在氨氧化细菌中发现,而没有在其他细菌中发现。直到本研究前,人们对这些细菌如何利用肼转化过程中释放的能量知之甚少。此前,研究小组及其合作者已经描述了肼合酶和羟胺氧化还原酶的结构。现在,研究人员通过描述肼脱氢酶的晶体结构,进一步解开了氨氧化细菌之谜。联氨的使用以及联氨脱氢酶结构都非常独特,因此详细揭示生物过程非常重要。

而且在生物体中令人惊讶,因为它具有很高的毒性。到目前为止,联氨只在氨氧化细菌中发现,而没有在其他细菌中发现。直到本研究前,人们对这些细菌如何利用肼转化过程中释放的能量知之甚少。此前,研究小组及其合作者已经描述了肼合酶和羟胺氧化还原酶的结构。现在,研究人员通过描述肼脱氢酶的晶体结构,进一步解开了氨氧化细菌之谜。联氨的使用以及联氨脱氢酶结构都非常独特,因此详细揭示生物过程非常重要。

从有毒火箭燃料到无害的氮-肼脱氢酶复合物

从有毒火箭燃料到无害的氮-肼脱氢酶复合物

Thomas
Barends在描述HDH结构和机理时说:人们可以把HDH复合体比作一个燃料电池,它的电源插座只适合某些类型的插头。燃料联氨通过外部通道进入蛋白质复合物。然后,该酶通过一个由192个血红素基团组成的空前庞大网络催化肼转化为氮气。然后电子被带到细菌的其他部分,比如电流传递给电子消费者,这些消费者然后产生细胞的能量。

Thomas
Barends在描述HDH结构和机理时说:人们可以把HDH复合体比作一个燃料电池,它的电源插座只适合某些类型的插头。燃料联氨通过外部通道进入蛋白质复合物。然后,该酶通过一个由192个血红素基团组成的空前庞大网络催化肼转化为氮气。然后电子被带到细菌的其他部分,比如电流传递给电子消费者,这些消费者然后产生细胞的能量。

缩小差距

缩小差距

巴伦支团队的博士后、论文的第一作者Mohd
Akram说:我们现在正在寻找一种蛋白质,它能吸收血红素网络中储存的电子,从观察到的结构来看,预计只有小的蛋白质才能进入复合物,在一个中空的空间中占据电子,然后再次离开。选择哪些蛋白质可以接近电子,可能有助于确保电子被带到正确的地方,用于细胞内的能量生成。

巴伦支团队的博士后、论文的第一作者Mohd
Akram说:我们现在正在寻找一种蛋白质,它能吸收血红素网络中储存的电子,从观察到的结构来看,预计只有小的蛋白质才能进入复合物,在一个中空的空间中占据电子,然后再次离开。选择哪些蛋白质可以接近电子,可能有助于确保电子被带到正确的地方,用于细胞内的能量生成。

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博科园-科学科普|研究/来自: 马克斯·普朗克学会(Max Planck Society)

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参考期刊文献:《科学进展》

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DOI: 10.1126/sciadv.aav4310

博科园-传递宇宙科学之美

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