第八章 钼酶及含钼蛋白(固氮酶)
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参与生物体内的电子传递。
钼酶的组成比较复杂，某些钼酶如固氮酶，黄嘌呤氧化酶，
黄嘌呤脱氢酶除了含钼辅酶外，还含有铁硫蛋白或黄素腺 嘌呤二核苷酸；另一些钼酶如硝酸盐还原酶，亚硫酸盐氧 化酶还含有细胞色素。钼酶中的铁硫蛋白或细胞色素一般 充当电子传递媒介，钼活性中心则起着底物结合对底物进
行氧化还原等生物催化作用。
各种不同类型的微生物固氮菌的铁蛋白均已经分离、纯化，并进 行了非常透彻的研究，他们的大小和功能大同小异。他们均是由两 个相同的亚基形成的二聚体，分子量约 60000Da, 两个亚基之间通过 四个半胱氨酸上的硫原子桥联着一个Fe4S4原子簇结构。 Fe4S4原子簇 单元位于蛋白球的表面，易于接近溶剂分子，因而铁蛋白对氧化极 度敏感。 主要功能： 1.电子传递媒介的作用； [Fe4S4]2+， [Fe4S4]+ 2. 它的存在是生物合成FeMo辅酶所必需的； 3.它的存在对FeMo辅酶插入改性的缺FeMo辅酶的钼铁蛋白是必要的。
2．双氮配合物的成键方式：端基配位和侧基配位
N 178° Co P H
[CoH(N2)(PPh3)3]的结构
固氮酶催化下列反应
HCN + 6H
CH3CN + 6H
+
6e
6e
CH4
CH4
+
+
NH3
+
NH2NH2
+
N3- + 7H
+
6e
N2H4
NH3
HCN + 4H
N3
+
+
4e
2e
CH3NH2
N2
+
+ 3H
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
NH3
N2O + 2H
+
2e
2e
2e
N2
+
H 2O
C2H2 + 2H+
2H
HC C H2 CH + 6H+
人类对生物固氮的认识直到 20 世纪60年代采取得了
突破性的进展。
①第一次从细胞水平上观察到在 ATP 存在下的生物固氮 现象。这极大的刺激了固氮酶的生物化学研究和发展；
②随后活性酶从生物体内被分离提纯出来，人们利用各
种物理方法对固氮酶进行更深入地研究； ③同时，科学家开展了在过渡金属配合物存在下，氮气 在溶液中的化学反应，第一个过渡金属双氮配合物被合 成出来，且出乎意料的稳定；其后，许多分子氮配合物 被相继合成出来，并研究它们在溶液中的还原反应（质 子化后可形成肼和氨）。……
钼固氮酶的结构
铁蛋白是个 α2 二聚体，含有一个 [Fe4S4]2+/1+ 原子簇桥联两 个亚基。MoFe蛋白（Mo-Fe Protein, α2β2四聚体）的每一 个αβ对含有一对[Fe4S4](即P原子簇)和一个FeMo辅因子(M 原子簇)；
钼铁蛋白的晶体结构
钼固氮酶的结构及电子传递
钼固氮酶中铁蛋白的结构
内。钼在人体内主要分布在肝脏和肾脏。人体血液中钼的含 量能较好地反映出体内钼的摄入情况。 中国营养学会 2000年制定的中国居民膳食营养素参考摄入 量规定，成人钼的推荐摄入量是 60微克 /天，可耐受最高摄入 量350 微克/ 天。
一些钼酶的主要成分
铁钼含量/分子 Mo 2 2 Fe 8 8
钼酶 黄嘌呤氧化酶 黄嘌呤脱氢酶
MoFe-Co （M簇）
FeMo-辅酶与蛋白结合部位不多，相对松弛，故易提取；
MoFe-Co （M簇）
M 簇中相邻的 Fe-Fe 间的距离为 2.58-2.67 Ǻ ； Mo-Fe 的 距离为2.67-2.73 Ǻ, 这意味着Fe-Fe和Mo-Fe之间存在着一 定程度的金属-金属键合作用。
N2 + 8H+ + 16MgATP + 8e
钼酶可按其结构和功能的差异分为固氮酶和转氧酶。
Representative Molybdoenzymes
Enzyme Nitrogenasea Reaction N2 + 6H+ + 6e- → 2 NH3
Nitrate reductase
Sulfite
O HN O N H H N + N H2O
P-cluster ：电子从铁蛋白金属簇中心传递到 FeMo-辅酶中心的桥梁作用。
还原态
氧化态
M-簇的重要性
由于M-簇是固氮酶固氮成氮的活性中心所在，对它的
研究早已引起许多化学家的重视。对比，自1973年以来国
内外学者根据结构化学、化学键理论、络合催化原理和化 学探针等方法就提出的固氮酶网兜模型，骈联活口双立方 烷模型等十几种原子簇模型，都是以 Mo 为结合底物的核 心原子，自然界里为了有效地固氮成氮而演进出的这种独 特的活性中心结构，显得比人们的智慧推想更为周到。根 据这新的信息，对固氮酶活性中心的结构与功能的研究将 会有新的突破。
某些含钼的食物
食物来源不同, 其钼的含量差异较 大。一般而言, 植 物性食物以豆类及 其制品含量最丰富。 动物性食物以海产 品中含量最高, 其 次是动物的肝脏和 肾脏。钼主要通过 在食物链中的迁移 进入人体内。
钼在人体内主要分布
钼 (molybdenum) 广泛存在于水、土壤以及各种动植物体
+
6e
C2H4
H2
H2C CH2 C H2
+
H3C
C H
CH2
生物固氮体系可以分为自生和共生固氮
两种类型； 部分固氮微生物只有在有氧的环境中才 能有固氮功能；另外一种固氮微生物在 缺氧的条件下能够固氮；此外还有一些 固氮微生物在需氧和厌氧的条件下均可 以自由固氮； 根据固氮酶所含金属的种类，固氮酶主 要分为三类： 钼固氮酶，钒固氮酶和铁固氮酶 每类固氮酶均有两种金属蛋白组成，除 铁蛋白外，还含有另一种钼铁蛋白 （ MoFe ）或钒铁蛋白（ VFe ）或铁铁蛋 白（FeFe）。
(1) 低温(如5 ℃时) 和酸性环境下钒固氮酶比钼固氮酶还原效率高;
(2) 钒固氮酶除将乙炔还原为乙烯外，还部分还原为乙烷 ; (3) 钒固氮酶具有明显的氢化酶活性;
(4) 钒固氮酶可在N2 还原过程中产生少量中间体肼。
化学通报，2007, 4 , 270
第三节 双氮过渡金属配合物
1965年，A. D. Allen在常温常压下合成了第一个双氮 过渡金属配合物[Ru(NH3)5(N2)]Cl2，改变了氮分子不活泼 的观念，提供了活化分子氮的途径。通过研究双氮配合物 获得生物固氮信息的希望激励科学家深入探索更多的例证。 目前已经合成数百种双氮配合物。这一研究成果开辟了一 个新的研究领域，推动人们探索生物固氮的秘密。
第八章 钼酶及含钼蛋白(固氮酶）
第一节 概述
第二节 第三节 第四节 第五节
固氮酶
双氮的配位化学
固氮酶的模拟
钼转氧酶及其模拟
第一节 概述
在生物体中，钼是唯一的第二过渡元素。
钼酶的相对分子量较大，纯化困难，且钼易于发生价态变
化，钼的价态多，存在的状态复杂，因此关于钼酶的许多问题 仍未弄清楚。 钼是人体生长必需的微量元素。在机体内的分布很广，在所 有器官、组织和体液中均能检出。 钼是多种酶的辅助因子；钼参与酶类和蛋白质合成，参与维 生素B12 组成及代谢，促进红细胞发育和成熟，防止贫血，促 进核酸和蛋白质合成等很多生理过程。 钼缺乏：钼缺乏时会诱发心肌病或其它心血管病。缺钼，还 可诱发食道癌、骨癌、肝癌以及龋齿。孕妇缺钼可引起胎儿发 育障碍。 钼过量：过量的钼可诱发痛风和癌症。
钼辅基：蝶呤辅酶
O HN H2N N
H N
OH C C CH CH2 R S L S Mo O X L'
N H
(X = S, O)
R = OPO32R = adenosine - OP3O33-
钼转氧酶分为氧化酶和还原酶。氧化酶为加氧过程；还原 酶为失氧过程：
黄嘌呤 + O → 尿酸 NO3- → O + NO2-（MoIV→MoVI） SO32- + O → SO42- (MoVI→MoIV) CO2 → O + CO RCHO + O → RCOOH
钼转氧酶的催化反应与电子传递和钼价态有关。
第二节 固氮酶(Nitrogenase)
常温常压下高效地把N2转化为NH3；
N2 + 8H+ + 16MgATP + 8e 2NH3 + H2 +16MgADP +16PO43-
19世纪80年代，Hellriegel and Wilfarth首先发现
并证实自然界中生物固氮的存在，之后人们发现 生物固氮广泛发生于微生物和原核生物中。已经 发现至少200种微生物具有生物固氮功能。 目前世界每年消耗近 1 亿吨尿素用于农业，生物 固氮提供了全球所需氮肥量的 75%（3亿吨尿素）。
来源 牛乳 鸡肝
相对分子质量 275 000 300 000
其他组分 2FAD 2FAD
醛氧化酶
硝酸盐还原酶 亚硫酸氧化酶 固氮酶
兔肝
粗糙脉孢菌 小牛肝 棕色固氮菌
300 000
230 000 110 000 270 000
2
1～ 2 2
8
4 32
2FAD
FAD, cyt.b 4cyt.b Cys
所有与钼有关的金属蛋白和金属酶均与氧化还原有关，并
2NH3 + H2 +16MgADP +16PO43-
电子传递机制？ 铁蛋白的循环？ 钼铁蛋白的催化循环？ 氢化酶何以体现？ 催化过程中，氮气与铁结合还是与钼结合？ ATP何处提供？ 有无特异性？
……
1.电子传递机制
铁 蛋 白 与 FeMo 辅 酶间的距离为 32Ǻ，因 此他们之间直接进行 电子传递是不可能的。
工业生产尿素需要高
温高压消耗大量的能 源，同时污染大气， 造成对环境的第一次 污染；同时所用化肥 仅有30%被农作物利 用，大部分进入地下 水，对环境造成第二 次污染。 固氮微生物在常温常 压下利用可再生能源 固定空气中的氮素， 并直接被植物吸收利 用，对环境不产生任 何污染。
早日实现人工生物固氮是当 前生物无机化学及相关学科 发展的一个重要目标！！！
NO3- + 2e- + 2H+ → NO2- + H2O
SO32- + H2O → SO42- + 2H+ + 2eO HN O H N OH
+ 2H+
+ 2e-
xanthine
N N H uric acid
Xanthine oxidase
a
Nitrogenase contains a FeMo-Cluster cotactor All other enzymes contain Mo-pterrn
2.固氮酶中铁蛋白循环图
复合物形成 FeP(MgATP)2 + MoFeP K1 K-1 ATP水解 核苷置换 K4 还原作用 复合物解离 FePOX(MgATP)2 + MoFeP K3 K-3 FePOX(MgADP,Pi)2MoFeP K2 电子转移 能量传导 磷酸根释放 FeP(MgATPH)2MoFePH2
3.固氮酶中钼铁蛋白循环图
4.固氮酶与底物结合的可能部位
底物与钼铁蛋白辅基的结合位置 和方式仍然是悬而未决的问题，有待 人们进一步深入研究。 与钼结合
可能与铁结合的部位
钒固氮酶 Vanadium Nitrogenase
钒固氮酶在无氧条件下才有催化活性。钒固氮酶在还原N2 的过程 中利用其50%的自身还原等价物产生H2 ，而钼固氮酶仅利用25 %。因 此，钒固氮酶的催化活性不如钼固氮酶，只有在土壤中钼缺乏的条件下 ，生物才会采用钒固氮系统。 但钒固氮酶具有钼固氮酶不及的优点:
1．氮分子的不活泼性
最高占有轨道3σg的能量较低，-15.6 eV，而最底空轨道 3σg的能量较高，-7.0 eV。即将电子从N2完全转移到受体或 从电子供体完全转移到N2都很困难。因此N2即不容易氧化 也难以还原。N2分子通过什么途径活化是化学模拟生物固 氮研究的重大课题。
氮分子轨道能级与电子云分布
固氮酶的分离提纯，在溶液中氮分子的还原以及过
渡金属双氮配合物的的制备三方面是相互关联又相 互促进的。
在相当长的一段时间里，固氮酶的结构和生物固氮
机理一直是科学家们努力探求的目标。
20世纪70年代，成功分离出固氮酶活性中心铁钼辅
基，测定了构成固氮酶的铁蛋白和钼铁蛋白的单晶 结构，到目前（ 1993 年）为止已经测定了 1.16Ả 高 分辨率的钼铁固氮酶的晶体结构。在人工固氮酶的 研究上取得了重大进展。
大豆根瘤菌
固氮酶的组成
1993年，Rees等得到了分辨率为0.22nm的葡萄 球固氮菌和巴氏芽孢菌固氮酶钼铁蛋白的射线结构 数据，基本上确定了固氮酶的结构。它是由铁蛋白 和钼铁蛋白两种相对独立，相互分离的纯蛋白组成。 铁蛋白是一种依赖于供给能量的电子传递体，具有 把电子传递给钼铁蛋白的功能；钼铁蛋白是结合底 物分子和催化底物还原的部位。
钼酶的组成比较复杂，某些钼酶如固氮酶，黄嘌呤氧化酶，
黄嘌呤脱氢酶除了含钼辅酶外，还含有铁硫蛋白或黄素腺 嘌呤二核苷酸；另一些钼酶如硝酸盐还原酶，亚硫酸盐氧 化酶还含有细胞色素。钼酶中的铁硫蛋白或细胞色素一般 充当电子传递媒介，钼活性中心则起着底物结合对底物进
行氧化还原等生物催化作用。
各种不同类型的微生物固氮菌的铁蛋白均已经分离、纯化，并进 行了非常透彻的研究，他们的大小和功能大同小异。他们均是由两 个相同的亚基形成的二聚体，分子量约 60000Da, 两个亚基之间通过 四个半胱氨酸上的硫原子桥联着一个Fe4S4原子簇结构。 Fe4S4原子簇 单元位于蛋白球的表面，易于接近溶剂分子，因而铁蛋白对氧化极 度敏感。 主要功能： 1.电子传递媒介的作用； [Fe4S4]2+， [Fe4S4]+ 2. 它的存在是生物合成FeMo辅酶所必需的； 3.它的存在对FeMo辅酶插入改性的缺FeMo辅酶的钼铁蛋白是必要的。
2．双氮配合物的成键方式：端基配位和侧基配位
N 178° Co P H
[CoH(N2)(PPh3)3]的结构
固氮酶催化下列反应
HCN + 6H
CH3CN + 6H
+
6e
6e
CH4
CH4
+
+
NH3
+
NH2NH2
+
N3- + 7H
+
6e
N2H4
NH3
HCN + 4H
N3
+
+
4e
2e
CH3NH2
N2
+
+ 3H
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
NH3
N2O + 2H
+
2e
2e
2e
N2
+
H 2O
C2H2 + 2H+
2H
HC C H2 CH + 6H+
人类对生物固氮的认识直到 20 世纪60年代采取得了
突破性的进展。
①第一次从细胞水平上观察到在 ATP 存在下的生物固氮 现象。这极大的刺激了固氮酶的生物化学研究和发展；
②随后活性酶从生物体内被分离提纯出来，人们利用各
种物理方法对固氮酶进行更深入地研究； ③同时，科学家开展了在过渡金属配合物存在下，氮气 在溶液中的化学反应，第一个过渡金属双氮配合物被合 成出来，且出乎意料的稳定；其后，许多分子氮配合物 被相继合成出来，并研究它们在溶液中的还原反应（质 子化后可形成肼和氨）。……
钼固氮酶的结构
铁蛋白是个 α2 二聚体，含有一个 [Fe4S4]2+/1+ 原子簇桥联两 个亚基。MoFe蛋白（Mo-Fe Protein, α2β2四聚体）的每一 个αβ对含有一对[Fe4S4](即P原子簇)和一个FeMo辅因子(M 原子簇)；
钼铁蛋白的晶体结构
钼固氮酶的结构及电子传递
钼固氮酶中铁蛋白的结构
内。钼在人体内主要分布在肝脏和肾脏。人体血液中钼的含 量能较好地反映出体内钼的摄入情况。 中国营养学会 2000年制定的中国居民膳食营养素参考摄入 量规定，成人钼的推荐摄入量是 60微克 /天，可耐受最高摄入 量350 微克/ 天。
一些钼酶的主要成分
铁钼含量/分子 Mo 2 2 Fe 8 8
钼酶 黄嘌呤氧化酶 黄嘌呤脱氢酶
MoFe-Co （M簇）
FeMo-辅酶与蛋白结合部位不多，相对松弛，故易提取；
MoFe-Co （M簇）
M 簇中相邻的 Fe-Fe 间的距离为 2.58-2.67 Ǻ ； Mo-Fe 的 距离为2.67-2.73 Ǻ, 这意味着Fe-Fe和Mo-Fe之间存在着一 定程度的金属-金属键合作用。
N2 + 8H+ + 16MgATP + 8e
钼酶可按其结构和功能的差异分为固氮酶和转氧酶。
Representative Molybdoenzymes
Enzyme Nitrogenasea Reaction N2 + 6H+ + 6e- → 2 NH3
Nitrate reductase
Sulfite
O HN O N H H N + N H2O
P-cluster ：电子从铁蛋白金属簇中心传递到 FeMo-辅酶中心的桥梁作用。
还原态
氧化态
M-簇的重要性
由于M-簇是固氮酶固氮成氮的活性中心所在，对它的
研究早已引起许多化学家的重视。对比，自1973年以来国
内外学者根据结构化学、化学键理论、络合催化原理和化 学探针等方法就提出的固氮酶网兜模型，骈联活口双立方 烷模型等十几种原子簇模型，都是以 Mo 为结合底物的核 心原子，自然界里为了有效地固氮成氮而演进出的这种独 特的活性中心结构，显得比人们的智慧推想更为周到。根 据这新的信息，对固氮酶活性中心的结构与功能的研究将 会有新的突破。
某些含钼的食物
食物来源不同, 其钼的含量差异较 大。一般而言, 植 物性食物以豆类及 其制品含量最丰富。 动物性食物以海产 品中含量最高, 其 次是动物的肝脏和 肾脏。钼主要通过 在食物链中的迁移 进入人体内。
钼在人体内主要分布
钼 (molybdenum) 广泛存在于水、土壤以及各种动植物体
+
6e
C2H4
H2
H2C CH2 C H2
+
H3C
C H
CH2
生物固氮体系可以分为自生和共生固氮
两种类型； 部分固氮微生物只有在有氧的环境中才 能有固氮功能；另外一种固氮微生物在 缺氧的条件下能够固氮；此外还有一些 固氮微生物在需氧和厌氧的条件下均可 以自由固氮； 根据固氮酶所含金属的种类，固氮酶主 要分为三类： 钼固氮酶，钒固氮酶和铁固氮酶 每类固氮酶均有两种金属蛋白组成，除 铁蛋白外，还含有另一种钼铁蛋白 （ MoFe ）或钒铁蛋白（ VFe ）或铁铁蛋 白（FeFe）。
(1) 低温(如5 ℃时) 和酸性环境下钒固氮酶比钼固氮酶还原效率高;
(2) 钒固氮酶除将乙炔还原为乙烯外，还部分还原为乙烷 ; (3) 钒固氮酶具有明显的氢化酶活性;
(4) 钒固氮酶可在N2 还原过程中产生少量中间体肼。
化学通报，2007, 4 , 270
第三节 双氮过渡金属配合物
1965年，A. D. Allen在常温常压下合成了第一个双氮 过渡金属配合物[Ru(NH3)5(N2)]Cl2，改变了氮分子不活泼 的观念，提供了活化分子氮的途径。通过研究双氮配合物 获得生物固氮信息的希望激励科学家深入探索更多的例证。 目前已经合成数百种双氮配合物。这一研究成果开辟了一 个新的研究领域，推动人们探索生物固氮的秘密。
第八章 钼酶及含钼蛋白(固氮酶）
第一节 概述
第二节 第三节 第四节 第五节
固氮酶
双氮的配位化学
固氮酶的模拟
钼转氧酶及其模拟
第一节 概述
在生物体中，钼是唯一的第二过渡元素。
钼酶的相对分子量较大，纯化困难，且钼易于发生价态变
化，钼的价态多，存在的状态复杂，因此关于钼酶的许多问题 仍未弄清楚。 钼是人体生长必需的微量元素。在机体内的分布很广，在所 有器官、组织和体液中均能检出。 钼是多种酶的辅助因子；钼参与酶类和蛋白质合成，参与维 生素B12 组成及代谢，促进红细胞发育和成熟，防止贫血，促 进核酸和蛋白质合成等很多生理过程。 钼缺乏：钼缺乏时会诱发心肌病或其它心血管病。缺钼，还 可诱发食道癌、骨癌、肝癌以及龋齿。孕妇缺钼可引起胎儿发 育障碍。 钼过量：过量的钼可诱发痛风和癌症。
钼辅基：蝶呤辅酶
O HN H2N N
H N
OH C C CH CH2 R S L S Mo O X L'
N H
(X = S, O)
R = OPO32R = adenosine - OP3O33-
钼转氧酶分为氧化酶和还原酶。氧化酶为加氧过程；还原 酶为失氧过程：
黄嘌呤 + O → 尿酸 NO3- → O + NO2-（MoIV→MoVI） SO32- + O → SO42- (MoVI→MoIV) CO2 → O + CO RCHO + O → RCOOH
钼转氧酶的催化反应与电子传递和钼价态有关。
第二节 固氮酶(Nitrogenase)
常温常压下高效地把N2转化为NH3；
N2 + 8H+ + 16MgATP + 8e 2NH3 + H2 +16MgADP +16PO43-
19世纪80年代，Hellriegel and Wilfarth首先发现
并证实自然界中生物固氮的存在，之后人们发现 生物固氮广泛发生于微生物和原核生物中。已经 发现至少200种微生物具有生物固氮功能。 目前世界每年消耗近 1 亿吨尿素用于农业，生物 固氮提供了全球所需氮肥量的 75%（3亿吨尿素）。
来源 牛乳 鸡肝
相对分子质量 275 000 300 000
其他组分 2FAD 2FAD
醛氧化酶
硝酸盐还原酶 亚硫酸氧化酶 固氮酶
兔肝
粗糙脉孢菌 小牛肝 棕色固氮菌
300 000
230 000 110 000 270 000
2
1～ 2 2
8
4 32
2FAD
FAD, cyt.b 4cyt.b Cys
所有与钼有关的金属蛋白和金属酶均与氧化还原有关，并
2NH3 + H2 +16MgADP +16PO43-
电子传递机制？ 铁蛋白的循环？ 钼铁蛋白的催化循环？ 氢化酶何以体现？ 催化过程中，氮气与铁结合还是与钼结合？ ATP何处提供？ 有无特异性？
……
1.电子传递机制
铁 蛋 白 与 FeMo 辅 酶间的距离为 32Ǻ，因 此他们之间直接进行 电子传递是不可能的。
工业生产尿素需要高
温高压消耗大量的能 源，同时污染大气， 造成对环境的第一次 污染；同时所用化肥 仅有30%被农作物利 用，大部分进入地下 水，对环境造成第二 次污染。 固氮微生物在常温常 压下利用可再生能源 固定空气中的氮素， 并直接被植物吸收利 用，对环境不产生任 何污染。
早日实现人工生物固氮是当 前生物无机化学及相关学科 发展的一个重要目标！！！
NO3- + 2e- + 2H+ → NO2- + H2O
SO32- + H2O → SO42- + 2H+ + 2eO HN O H N OH
+ 2H+
+ 2e-
xanthine
N N H uric acid
Xanthine oxidase
a
Nitrogenase contains a FeMo-Cluster cotactor All other enzymes contain Mo-pterrn
2.固氮酶中铁蛋白循环图
复合物形成 FeP(MgATP)2 + MoFeP K1 K-1 ATP水解 核苷置换 K4 还原作用 复合物解离 FePOX(MgATP)2 + MoFeP K3 K-3 FePOX(MgADP,Pi)2MoFeP K2 电子转移 能量传导 磷酸根释放 FeP(MgATPH)2MoFePH2
3.固氮酶中钼铁蛋白循环图
4.固氮酶与底物结合的可能部位
底物与钼铁蛋白辅基的结合位置 和方式仍然是悬而未决的问题，有待 人们进一步深入研究。 与钼结合
可能与铁结合的部位
钒固氮酶 Vanadium Nitrogenase
钒固氮酶在无氧条件下才有催化活性。钒固氮酶在还原N2 的过程 中利用其50%的自身还原等价物产生H2 ，而钼固氮酶仅利用25 %。因 此，钒固氮酶的催化活性不如钼固氮酶，只有在土壤中钼缺乏的条件下 ，生物才会采用钒固氮系统。 但钒固氮酶具有钼固氮酶不及的优点:
1．氮分子的不活泼性
最高占有轨道3σg的能量较低，-15.6 eV，而最底空轨道 3σg的能量较高，-7.0 eV。即将电子从N2完全转移到受体或 从电子供体完全转移到N2都很困难。因此N2即不容易氧化 也难以还原。N2分子通过什么途径活化是化学模拟生物固 氮研究的重大课题。
氮分子轨道能级与电子云分布
固氮酶的分离提纯，在溶液中氮分子的还原以及过
渡金属双氮配合物的的制备三方面是相互关联又相 互促进的。
在相当长的一段时间里，固氮酶的结构和生物固氮
机理一直是科学家们努力探求的目标。
20世纪70年代，成功分离出固氮酶活性中心铁钼辅
基，测定了构成固氮酶的铁蛋白和钼铁蛋白的单晶 结构，到目前（ 1993 年）为止已经测定了 1.16Ả 高 分辨率的钼铁固氮酶的晶体结构。在人工固氮酶的 研究上取得了重大进展。
大豆根瘤菌
固氮酶的组成
1993年，Rees等得到了分辨率为0.22nm的葡萄 球固氮菌和巴氏芽孢菌固氮酶钼铁蛋白的射线结构 数据，基本上确定了固氮酶的结构。它是由铁蛋白 和钼铁蛋白两种相对独立，相互分离的纯蛋白组成。 铁蛋白是一种依赖于供给能量的电子传递体，具有 把电子传递给钼铁蛋白的功能；钼铁蛋白是结合底 物分子和催化底物还原的部位。