含铬或锰的新型固氮酶的纯化, 特性和结晶—棕色固氮菌突变种UW3中CrFe蛋白和MnFe蛋白的研究

以含MnSO4或Na2CrO4的无钼无氨的修改Burk’s培养基， 培养不能合成含钼固氮酶体系的棕色固氮菌 (Azotobacter vinelandii Lipmann) 突变种UW3， 发现在一定浓度范围内， MnSO4或Na2CrO4的加入有助于促进其生长。 菌体生长和C2H2还原活性曲线测定结果表明， 这种促进作用很可能是通过Mn或Cr取代Mo， 参与组装固氮酶中心原子簇， 从而影响固氮活性而实现的。 利用阴离子交换 (DEAE-52和Q-Sepharose FF) 和凝胶过滤 (Sephacryl S-200) 柱层析从两种菌体中纯化得到固氮酶组分Ⅰ蛋白 (分别命名为MnFe蛋白和CrFe蛋白)， 并对其进行了特性研究。 厌氧天然聚丙烯酰胺凝胶电泳 (PAGE) 和SDS-PAGE结果显示， 两种蛋白均为两种亚基组成的四聚体。 亚基可以与OP MoFe蛋白抗体发生免疫反应， 分子量分别略小于野生种OP MoFe蛋白的α和β亚基。 CrFe蛋白的C2H2还原活性， Ar下放氢活性和固氮活性分别相当于OP MoFe蛋白的36%， 38%和43%， 而MnFe蛋白活性相当于OP MoFe蛋白的50%左右， 并且两种蛋白与OP MoFe蛋白具有相似的固氮电子利用率。 对两种蛋白金属含量的测定证实其中分别含有Mn和Cr， 但仍存在少量Mo污染。 与OP MoFe蛋白相比，这两种蛋白圆二色谱的摩尔椭圆率 ([θ]) 除在450nm较接近外，在可见光区的其它波长处均显著降低。 与DT还原OP MoFe蛋白相似， CrFe蛋白和MnFe蛋白具有g≈4。3、3。7和2。0的特征EPR信号， 但各处信号强度比例不同。 在对污染Mo可能引起的信号进行校正后，CrFe蛋白的三个信号强度分别相当于DT还原OP MoFe蛋白的20%， 0%和10%， 而MnFe蛋白则分别相当于112%， 49%和65%。 上述结果表明， CrFe蛋白和MnFe蛋白与OP MoFe蛋白金属原子簇的主要差异很可能在于FeMco (M=Cr， Mn或Mo)的M种类， 而P-cluster结构和组成均未见大的差异。 利用气相扩散悬滴法对MnFe蛋白和CrFe蛋白结晶条件进行了筛选和初步优化， 确定了以Tris/Hepes， NaCl， MgCl2和PEG 8000为主要变量的沉淀剂体系， 寻找各组分对于晶体生长的最适浓度。 以此为基础探讨了应用气相扩散坐滴法和液-液扩散法对两种蛋白结晶条件的优化。 在一定条件下， 两种蛋白分别通过液-液扩散法获得了优质大单晶。 对从CrFe蛋白和MnFe蛋白制备物中培养出的蛋白质晶体的SDS-PAGE鉴定显示， 晶体由与OP MoFe蛋白相似的两种亚基组成。 通过 “神舟三号” 飞船搭载实验探讨了空间微重力对于厌氧蛋白质结晶的影响， 结果表明， 微重力有助于避免孪晶形成， 并具有长期培养后获得适于进行X-射线衍射分析的优质大单晶的潜在前景。 结合空间科学使固氮酶结构与功能研究得以发展， 这项工作是有意义并且可行的。