含铬固氮酶组分Ⅰ蛋白的纯化和特性(英文)

在含Mo固氮培养基中不能生长而在无Mo条件下可固氮生长的固氮菌 (AzotobactervinelandiiLipmann)突变种UW3 ,能在无Mo而含Cr的无氮培养基中生长。从菌体中分离得到的部分纯固氮酶组分Ⅰ蛋白含有Cr和Fe原子 (Fe/Mo/Cr为 11.6 0∶0 .41∶1.0 0 ) ,并能表达相当于棕色固氮菌野生型固氮菌MoFe蛋白对乙炔和质子还原的 70 %的活性。与从Mn中生长的UW3 菌体中所提取纯化的MnFe蛋白不同 ,这种含铬蛋白与MoFe蛋白 (α2 β2 )一样 ,是由两种亚基组成的四聚体。初步结果表明 ,这种含Cr蛋白可能是一种固氮酶组分Ⅰ蛋白。     

含铬固氮酶组分I蛋白的纯化和特性

在含Mo固氮培养基中不能生长而在无Mo条件下可固氮生长的固氮菌（Azotobacter vinelandii Lipmann)突变种UW3,能在无Mo而含Cr的无氮培养基中生长。从菌体中分离得到的部分纯固氮酶组分I蛋白含有Cr和Fe原子（Fe/Mo/Cr为11.60:0.41:1.00),并能表达相当于棕色固氮菌野生型固氮菌MoFe蛋白对乙炔和质子还原的70％的活性。与从Mn中生长的UW3菌体中所提取纯化的MnFe蛋白不同,这种含铬蛋白与MoFe蛋白（α2β2)一样,是由两种亚基组成的四聚体。初步结果表明,这种含Cr蛋白可能是一种固氮酶组分I蛋白。     

含锰固氮酶组分Ⅰ蛋白的纯化和特性

棕色固氮菌（Azotobacter vinelandii Lipmann)突变种UW3能在无Mo的无氨培养基中固氮生长,低浓度的Mn对UW3突变种生长有促进作用,从在Mn中生长的UW3菌体中分离得到的部分纯固氮酶组分Ⅰ蛋白含量有Mn和Fe原子（Fe/Mo/Mn为10．41：0．19：1．00）并有OP MoFe蛋白一半的还原乙炔和质子的活性。这种蛋白的吸收光谱和圆二色谱与MoFe蛋白存在明显的差异,含Mn蛋白的亚基分子量都与MoFe蛋白的α亚基相近。初步结果表明,这种含Mn蛋白可胡是一种固氮酶组分Ⅰ蛋白。     

固氮酶铬铁蛋白的晶体生长

在合适的结晶条件下,从含Cr无氨培养基中生长的固氮菌(Azotobacter vinelandii Lipmann)突变种UW3中纯化出的CrFe蛋白可从溶液中析出深棕色斜四棱柱晶体,晶体最大的两条对角线长度分别可达0.25 mm和0.12 mm.PEG 8000、MgCl2、NaCl、Tris 和Hepes 缓冲液的浓度及结晶方法等对该蛋白的出晶率、晶核数目、晶体大小和质量都有明显影响.CrFe蛋白结晶所需的上述化合物的最适浓度与在Mn中生长的固氮菌突变种UW3的MnFe蛋白和缺失nifZ固氮菌突变种的ΔnifZ MoFe蛋白结晶所需的最适浓度有所不同.结果表明,该蛋白晶体可能为CrFe蛋白的晶体.     

固氮酶铬铁蛋白的晶体生长

在合适的结晶条件下 ,从含Cr无氨培养基中生长的固氮菌 (AzotobactervinelandiiLipmann)突变种UW3 中纯化出的CrFe蛋白可从溶液中析出深棕色斜四棱柱晶体 ,晶体最大的两条对角线长度分别可达 0 .2 5mm和 0 .12mm。PEG 80 0 0、MgCl2 、NaCl、Tris和Hepes缓冲液的浓度及结晶方法等对该蛋白的出晶率、晶核数目、晶体大小和质量都有明显影响。CrFe蛋白结晶所需的上述化合物的最适浓度与在Mn中生长的固氮菌突变种UW3 的MnFe蛋白和缺失nifZ固氮菌突变种的ΔnifZMoFe蛋白结晶所需的最适浓度有所不同。结果表明 ,该蛋白晶体可能为CrFe蛋白的晶体     

固氮酶铬铁蛋白和锰铁蛋白大单晶的培养

用液/液扩散法, 从分别含Cr和Mn的无氨培养基中生长的固氮菌(Azotobacter vinelandii Lipmann)突变种UW3中纯化出的CrFe蛋白和MnFe蛋白, 在合适的结晶条件下生长出深棕色大单晶(最大晶体的尺寸分别为0.20 mm×0.20 mm×0.07 mm 和 0.18 mm×0.18 mm×0.05 mm).PEG、MgCl2和NaCl 的浓度对这两种蛋白的出晶时间、晶核数目、晶体大小和形状都有明显影响.结果表明,用此结晶法有利于CrFe蛋白和MnFe蛋白生长出可供X-射线衍射分析的大单晶.     

固氮酶铬铁蛋白和锰铁蛋白大单晶的培养

用液 /液扩散法 ,从分别含Cr和Mn的无氨培养基中生长的固氮菌 (AzotobactervinelandiiLipmann)突变种UW3 中纯化出的CrFe蛋白和MnFe蛋白 ,在合适的结晶条件下生长出深棕色大单晶 (最大晶体的尺寸分别为 0 .2 0mm× 0 .2 0mm× 0 .0 7mm和 0 .18mm× 0 .18mm× 0 .0 5mm)。PEG、MgCl2 和NaCl的浓度对这两种蛋白的出晶时间、晶核数目、晶体大小和形状都有明显影响。结果表明 ,用此结晶法有利于CrFe蛋白和MnFe蛋白生长出可供X_射线衍射分析的大单晶。     

固氮酶锰铁蛋白的晶体生长

从以Mn代钼的固氮培养基中固氮生长的固氮菌（Azotobacter vinelandii Lipmann）突变种UW3中分离纯化的MnFe蛋白,在一定的结晶条件下,可从溶液中析出深棕色的短斜四棱柱晶体。Tris和Hepes缓冲液、NaCl、MgCl2和PEG的浓度及结晶方法等,对该蛋白的出晶率、晶核数目、晶体大小和质量均有明显的影响,PEG浓度的改变还可使该蛋白晶体的晶型发生变化。MnFe蛋白结晶所需的上述化合物的最适浓度与缺失nifZ固氮菌突变种△nifZ MoFe需的最适浓度有所不同。ＳＤＳ凝胶电泳表明,晶体溶解的蛋白与结晶前的MnFe蛋白基本相同。结果表明：该晶体为MnFe蛋白的晶体。     

固氮酶CrFe蛋白和MnFe蛋白的空间晶体生长

从分别生长于含Mn和Cr培养基中的棕色固氮菌(Azotobacter vinelandii Lipmann)突变种UW3分离纯化出MnFo和CrFe蛋白.为适应包括固氮酶在内的氧敏感蛋白的空间晶体生长的要求,应用简易而适用的厌氧加样装置代替固氮酶实验室所用的笨重厌氧箱(dry box),在地面进行厌氧加样.在充满氮气的简便有机玻璃箱内厌氧加样的所有样品中,分别用液/液扩散法和汽相扩散的坐滴法都可在一周内使MnFe和CrFe蛋白在宇宙飞船上从溶液中结晶出来.在所用的数种蛋白沉淀剂中,飞船上形成的所有晶体都为单晶,而地面上在多数沉淀剂中部生成大量孪晶.在相同沉淀剂中用液/液扩散法,飞船上生成CrFe蛋白的最大晶体比地面生成的最大晶体大1倍.而在相同沉淀剂中用汽相扩散的坐滴法,飞船上生成的MnFe蛋白最大晶体却没有地面生成的最大晶体大.这种差异也许是由不同结晶方法而不是不同蛋白所引起的.     

棕色固氮菌突变种UW45的固氮酶钼铁蛋白(NifB-Av1)结晶

经两次DE52和Sephacryl S-300柱层析,从棕色固氮菌(Azotobacter vinelandii Lipmann)突变种UW45粗提液(37 677 mg蛋白)中纯化得到628 mg的NifB-Av1.经考马斯亮蓝R-250染色的SDS凝胶电泳分析表明,该蛋白基本达到SDS凝胶电泳纯,组成它的亚单位的种类与Av1(α和β亚单位)相似.NifB-Av1不能与NifB-Av2重组成具放氢活性的固氮酶,但可使与其保温重组的FeMoco显出高活性.在合适条件下,NifB-Av1可在结晶溶液中析出棕色短斜四棱柱晶体,目前所得最大晶体的二维边长均为0.1 mm.能否出现晶体以及出晶时间、晶体数目、大小、质量和形状等,与沉淀剂溶液各组分的种类和浓度、结晶方法、实验操作等因素密切相关.初步结果表明,所得晶体为NifB-Av1单晶.     

棕色固氮菌突变种UW45的固氮酶钼铁蛋白（NifB-Av1）结晶

经两次DE52和Sephacryl s一300柱层析,从棕色固氮菌(Azotobacter vinelandii Lipmann)突变利UW45粗提液(37 677mg蛋白)中纯化得到628 mg的NifB^-Av1。经考马斯亮蓝R-250染色的SDS凝胶电泳分析表明,该蛋白基本达到SDS凝胶电泳纯,组成它的亚单位的种类与Av1(α和β亚单位)相似。NifB^-Av1不能与NifB^-Av2重组成具放氢活性的固氮酶,但可使与其保温重组的FeMoco显出高活性。在合适条件下,NifB^-Av1可在结晶溶液中析出棕色短斜四棱柱晶体,目前所得最大晶体的二维边长均为0．1mm。能否出现晶体以及出晶时间、晶体数目、大小、质量和形状等,与沉淀剂溶液各组分的种类和浓度、结晶方法、实验操作等因素密切相关。初步结果表明,所得晶体为NifB^-AV1单晶。     

固氮酶CrFe蛋白和MnFe蛋白的空间晶体生长

从分别牛长于含Mn和Cr培养基中的棕色固氮菌(Azotobacter vinelandii Lipmann)突变种UW3分离纯化出MnFe和CrFe蛋白。为适应包括固氮酶在内的氧敏感蛋白的空间晶体生长的要求,应用简易而适用的厌氧加样装置代替固氮酶实验室所用的笨重厌氧箱(dry box),在地面进行厌氧加样。在充满氮气的简便有机玻璃箱内厌氧加样的所有样品中,分别用液／液扩散法和汽相扩散的坐滴法都可在一周内使MnFe和CrFe蛋白在宇宙飞船上从溶液中结晶出来。在所用的数种蛋白沉淀剂中,飞船上形成的所有晶体都为单品,而地面上在多数沉淀剂中都生成大量挛晶。在相同沉淀剂中用液／液扩散法,飞船上生成CrFe蛋白的最大晶体比地面生成的最大晶体大1倍。而在相同沉淀剂中用汽相扩散的坐滴法,飞船上生成的MnFe蛋白最大晶体却没有地面生成的最大晶体大。这种差异也许是由不同结晶方法而不是不同蛋白所引起的。     

对与缺失铁钼辅基的固氮酶钼铁蛋白重组的原子簇的结构要求

棕色固氮菌（Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ ｖｉｎｅｌａｎｄｉｉ）钼铁蛋白与邻菲口罗啉和Ｏ２ 保温并经凝胶柱层析后,成为部分缺失Ｐ－ｃｌｕｓｔｅｒ和ＦｅＭｏｃｏ 的失活蛋白。由３ 个－ ＯＣＨ３－ 连结于Ｍｏ原子间的２ 个１Ｍｏ∶３Ｆｅ∶４Ｓ结构单位组成的原子簇与４Ｆｅ∶４Ｓ原子簇的混合液,以及由ＫＭｎＯ４、高柠檬酸铁、Ｎａ２Ｓ和二硫苏糖醇组成的重组液均可使这种失活蛋白明显恢复Ｃ２Ｈ２ 还原活性,但都不能使可被ＦｅＭｏｃｏ 激活的ｎｉｆＥ和ｎｉｆＨ 基因缺失突变种及ＵＷ ４５的Ａｐｏ－ＭｏＦｅ 蛋白得到激活。表明,不能合成ＦｅＭｏｃｏ 的固氮菌突变种蛋白只能与具有ＦｅＭｏｃｏ相似或基本相似结构的原子簇进行体外重组,而部分缺失金属原子簇的钼铁蛋白能与具有一定结构和组成的原子簇进行体外重组,变为具有催化氮还原能力的各种固氮酶组分蛋白。     

缺失nifH的棕色固氮菌突变种固氮酶钼铁蛋白的结晶

从限氨固氮培养基中培养的缺失nifH的棕色固氮菌(AzotobactervinelandiiLipmann)突变种DJ54中,分离纯化出部分纯的缺失FeMoco的钼铁蛋白(ΔnifHAv1)。用相同纯化方法分别从DJ35和UW45突变种中纯化的ΔnifEAv1和NifB-Av1的纯度明显高于ΔnifHAv1的纯度。在合适的结晶条件下,可得到这三种蛋白的深棕色短斜四棱柱晶体。ΔnifHAv1与NifB-Av1一样,晶体形成所需的时间比ΔnifEAv1的长。而它结晶所需的沉淀剂和缓冲液最适浓度则与ΔnifEAv1的相同。SDS-PAGE鉴定表明,结晶的ΔnifHAv1与OPAv1的组成相似。这表明,在ΔnifHAv1溶液中形成的晶体可能就是该蛋白质的晶体。     

固氮酶的研究进展

固氮酶将N2还原为NH3的过程是自然界实现氮循环的重要环节。固氮酶是由γ2型二聚体组成的Fe蛋白和α2β2异四聚体组成的MoFe蛋白组成。固氮酶催化的机制包括铁蛋白的氧还循环和钼铁蛋白的氧还循环两部分。Klebsiella pneumoniae的nif基因簇由20个基因组成,构成了8个转录单位,总长度24206bp,其操控机制是多水平、多层次的调控过程。同时综述了固氮酶的多样性,目前已经发现的有钼铁固氮酶、钒铁固氮酶、铁铁固氮酶以及在Strpomyces thermoauophicus内存在的与已知的三种固氮酶体系明显不同的固氮体系。     

缺失nifE的棕色固氮菌突变种MoFe蛋白的纯化及体外激活

经DEAE纤维素、Sephacryl S-300和Q．Sepharose柱层析分离纯化,从缺失nifE的棕色固氮菌(Azotobacter vinelandii Lipmann)突变种(DJ35)的无细胞粗提物中得到AnilE MoFe蛋白(△nilE Av1)。SDS凝胶电泳分析表明,△nilE Av1的亚单位种类和分子量分别与棕色固氮菌野生型(OP)MoFe蛋白(Av1)的α和β亚单位相似。当与固氮酶Fe蛋白(Av2)活性互补时,△nifE Av1不具有还原质子的能力,但从0P Av1中抽提的FeMoco却可使其激活。经过量的邻菲哕啉(o-phen)厌氧处理并经Sephadex G-25柱层析分离后,便得到△nilE Av1@。在同时存在Av2和MgATP发生系统的条件下,△nilE Av1@,而不是△nilE Av1,可为由KMnO4、高柠檬酸铁、Na2S、Na2S2O4和二硫苏糖醇组成的含Mn重组液(Rs-Mn)显著激活。但在缺少MgATP或Av2的条件下,RS-Mn则不能激活△nilE Av1@。这就表明,RS-Mn对△nilE Av1@的激活需要o-phen的预先处理及同时存在Av2和MgATP的这二个条件。     

缺失nifH的棕色固氮菌突变种固氮酶钼铁蛋白的结晶

从限氨固氮培养基中培养的缺失nif H的棕色固氮菌(Azotobacter vinelandii Lipmann)突变种DJ54中,分离纯化出部分纯的缺失FeMoco的钼铁蛋白(△nifH Av1).用相同纯化方法分别从DJ35和UW45突变种中纯化的△nifE Av1和NifB- Av1的纯度明显高于△nifH Av1的纯度.在合适的结晶条件下,可得到这三种蛋白的深棕色短斜四棱柱晶体.△nifH Av1与NifB- Av1一样,晶体形成所需的时间比△nifE Av1的长.而它结晶所需的沉淀剂和缓冲液最适浓度则与△nifE Av1的相同.SDS-PAGE鉴定表明,结晶的△nifH Av1与OP Av1的组成相似.这表明,在△nifH Av1溶液中形成的晶体可能就是该蛋白质的晶体.     

一种纯化棕色固氮菌固氮酶蛋白组分的方法

棕色固氮菌(Azotobacter vinelandii)固氮酶钼铁蛋白结晶和铁蛋白的纯化国内外虽已有过一系列报导。但是目前仍有些实验室致力于获得高活性和高产率的固氮酶蛋白研究。我们参考Burgess和Mckenna等人的方法,结合我们的具体情况加以修改,在厌氧条件,产率等方面都取得了较为满意的结果,报导如下。     

缺失nifZ的棕色固氮菌突变种钼铁蛋白的特性和结晶

从棕色固氮菌（Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ　ｖｉｎｅｌａｎｄｉｉ）缺失ｎｉｆＺ突变种中提纯得到的Δｎｉｆ　ＺＭｏＦｅ蛋白达到ＳＤＳ凝胶电泳纯。每个△ｎｆｉ　ＺＭｏＦｅ蛋白分子含１．５个Ｍｏ和１５．９个Ｆｅ原子,它的Ｆｅ和Ｍｏ比值低于野生型固氮菌ＭｏＦｅ蛋白的Ｆｅ和Ｍｏ比值,而它的Ｃ２Ｈ２、Ｈ＋还原活性及其比率（Ｃ２Ｈ４／Ｈ２（Ａｒ））分别为野生型ＭｏＦｅ蛋白的１６．６％、２１．７％和７７．２％。在与野生型ＭｏＦｅ蛋白结晶条件略有不同的情况下,所得的Δｎｉｆ　Ｚ　ＭｏＦｅ蛋白晶体为深棕色的斜四棱柱体晶体。表明ｎｉｆＺ的缺失可能使突变种ＭｏＦｅ蛋白中的Ｐ－ｃｌｕｓｔｅｒ或数目减少或结构发生变化,从而引起该蛋白的结构和功能发生明显改变。     

棕色固氮菌缺失nifZ基因的突变种固氮酶MoFe蛋白的纯化和性质

采用 52℃下加热 6 min,后经 DEAE- 52、Sephacryls S- 2 0 0和 Q- Sepharose等柱层析方法 ,分离纯化了棕色固氮菌 (Azotobacter vinelandii)缺失 nif Z基因突变种固氮酶 Mo Fe(Δnif Z Mo Fe)蛋白 ,其纯度达到电泳纯。Δnif Z Mo Fe蛋白的固氮活性为 2 83nmol C2 H2 还原 / (min·mg蛋白 ) ,远低于野生种 Mo Fe蛋白。Δnif Z Mo Fe蛋白对氧更敏感 ;热稳定性略低于野生种。Δnif Z Mo Fe蛋白的可见光吸收光谱与野生种 Mo Fe蛋白极为相似。其圆二色谱和磁圆二色谱在 450～ 550 nm与野生种 Mo Fe蛋白显著不同 ,表明其 P- cluster及其周围环境与野生种 Mo Fe蛋白有所差异。这亦可能是造成缺失 nif Z突变种 Mo Fe蛋白固氮活性低的原因。