地球上約有一百多種固氮細(xì)菌，可以在常溫常壓下進(jìn)行固氮作用，有些能獨(dú)自營(yíng)生，其它則需與動(dòng)植物共生。由于多數(shù)的農(nóng)作物，如玉米、小麥、稻米、地瓜、馬鈴薯等，無(wú)法與固氮細(xì)菌共生，因此這些農(nóng)作物自播種至收成，須施加大量的氮肥。然而，這些氮肥對(duì)水的溶解度極大，常隨雨水流入河川、湖泊、海洋，滋生藻類(lèi)，造成優(yōu)養(yǎng)化而劣化水質(zhì)，也嚴(yán)重地傷害環(huán)境生態(tài)。
很多生物及化學(xué)界專(zhuān)家，對(duì)于固氮細(xì)菌所擁有的固氮酵素深感興趣。一方面，努力找出適當(dāng)?shù)墓痰?xì)菌，生產(chǎn)含氮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，幫助農(nóng)作物生長(zhǎng)。另一方面，試圖了解固氮酵素的構(gòu)造與有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)，期望能找出有效且不用耗費(fèi)大量能源的工業(yè)固氮途徑。
一九六六年，首先由厭氧固氮細(xì)菌分離到固氮酵素，迄今已發(fā)現(xiàn)超過(guò)三十個(gè)固氮細(xì)菌酵素。大部分固氮酵素由兩個(gè)不同的金屬蛋白質(zhì)構(gòu)成，各自展現(xiàn)不同的功能；一個(gè)負(fù)責(zé)電子傳遞，另一個(gè)職司受質(zhì)分子的還原反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證據(jù)顯示，鐵蛋白質(zhì)負(fù)責(zé)將電子傳給擔(dān)任受質(zhì)分子還原反應(yīng)的金屬蛋白質(zhì)；這類(lèi)蛋白質(zhì)有三種可能的組成：含鉬及鐵的蛋白質(zhì)；含釩及鐵的蛋白質(zhì)，稱(chēng)為釩鐵固氮酵素；或僅單含鐵的蛋白質(zhì)，稱(chēng)為單含鐵的固氮酵素。然而大部分生物化學(xué)及生物物理的固氮酵素研究，包括其晶體構(gòu)造解析，卻集中在第一種文獻(xiàn)上稱(chēng)為鉬鐵的固氮酵素或簡(jiǎn)稱(chēng)含鉬固氮酵素。
含鉬固氮酵素，也由兩個(gè)不同的金屬蛋白質(zhì)構(gòu)成：含鐵的蛋白質(zhì)及含鉬鐵的蛋白質(zhì)。含鐵的蛋白質(zhì)，分子量約六萬(wàn)，由一個(gè) [4Fe-4S] 金屬簇當(dāng)橋梁，連接兩個(gè)相同的次級(jí)單位；含鉬鐵蛋白質(zhì)較大，分子量達(dá)二十五萬(wàn)，由四個(gè)次級(jí)單位（或稱(chēng) α2β2 四聚體）構(gòu)成，這蛋白質(zhì)含兩類(lèi)金屬簇：[8Fe-7S] 簇（稱(chēng)Ｐ簇）與含異檸檬酸配位的 [7Fe-X-9S-Mo] 簇（X 原子可能是碳、氮或氧）。雖然，氮?dú)夥肿拥墓潭ㄅc還原反應(yīng)，詳細(xì)的過(guò)程尚不清楚，一般咸信氮?dú)夥肿涌稍阼F鉬輔助因子上固定，隨著Ｐ簇的靠近，借著腺三磷酸水解產(chǎn)生腺二磷酸的過(guò)程所得的能量，驅(qū)使電子由含鐵的蛋白質(zhì)，單方向地流入含鉬鐵的蛋白質(zhì)，而將氮?dú)膺�原成氨。由于該電子也會(huì)與水中的氫離子反應(yīng)并生成氫，因此含鉬固氮酵素會(huì)與乙炔反應(yīng)生成乙烯。
由催化的角度來(lái)看，催化反應(yīng)通常發(fā)生在金屬上，但是氮?dú)獾降资墙釉阼F鉬輔助因子中哪一個(gè)或數(shù)個(gè)金屬上，至今仍然是個(gè)謎。不過(guò)，固氮酵素將氮?dú)廪D(zhuǎn)換成氨氣，需要分成好幾個(gè)步驟進(jìn)行，因?yàn)榈獨(dú)庵械娱g的鍵結(jié)是由三個(gè)鍵構(gòu)成，要一次打斷三個(gè)鍵頗為困難，所以應(yīng)該是一次打斷一個(gè)鍵的方式，逐次完成由氮轉(zhuǎn)換成氨。
根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果，從氮?dú)庾兂砂睔馐且粋�(gè)可自發(fā)的反應(yīng)過(guò)程。但是，要直接從氮?dú)庾兂砂睔�，需跨越非常高的活化能�?0.9 仟卡／莫耳），一般都是經(jīng)由金屬的催化，一步步地反應(yīng)。氮?dú)饪赡芟扰c金屬觸媒（M）生成 MN2，與氫氣反應(yīng)經(jīng) MN2H2 得到 MN2H4，再與氫氣生成氨氣。目前世界上有很多化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)合成出許多 MN2、MN2H2 和 MN2H4 的金屬錯(cuò)化物，并證實(shí)皆可與氫氣生成氨氣。因此，隨著對(duì)固氮酵素的了解，相信將來(lái)有機(jī)會(huì)發(fā)展出新的催化劑，來(lái)取代目前極耗能源的哈柏法，以大量取得含氮元素的化合物，直接或間接地解決糧食不足的問(wèn)題。
很多生物及化學(xué)界專(zhuān)家，對(duì)于固氮細(xì)菌所擁有的固氮酵素深感興趣。一方面，努力找出適當(dāng)?shù)墓痰?xì)菌，生產(chǎn)含氮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，幫助農(nóng)作物生長(zhǎng)。另一方面，試圖了解固氮酵素的構(gòu)造與有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)，期望能找出有效且不用耗費(fèi)大量能源的工業(yè)固氮途徑。
一九六六年，首先由厭氧固氮細(xì)菌分離到固氮酵素，迄今已發(fā)現(xiàn)超過(guò)三十個(gè)固氮細(xì)菌酵素。大部分固氮酵素由兩個(gè)不同的金屬蛋白質(zhì)構(gòu)成，各自展現(xiàn)不同的功能；一個(gè)負(fù)責(zé)電子傳遞，另一個(gè)職司受質(zhì)分子的還原反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證據(jù)顯示，鐵蛋白質(zhì)負(fù)責(zé)將電子傳給擔(dān)任受質(zhì)分子還原反應(yīng)的金屬蛋白質(zhì)；這類(lèi)蛋白質(zhì)有三種可能的組成：含鉬及鐵的蛋白質(zhì)；含釩及鐵的蛋白質(zhì)，稱(chēng)為釩鐵固氮酵素；或僅單含鐵的蛋白質(zhì)，稱(chēng)為單含鐵的固氮酵素。然而大部分生物化學(xué)及生物物理的固氮酵素研究，包括其晶體構(gòu)造解析，卻集中在第一種文獻(xiàn)上稱(chēng)為鉬鐵的固氮酵素或簡(jiǎn)稱(chēng)含鉬固氮酵素。
含鉬固氮酵素，也由兩個(gè)不同的金屬蛋白質(zhì)構(gòu)成：含鐵的蛋白質(zhì)及含鉬鐵的蛋白質(zhì)。含鐵的蛋白質(zhì)，分子量約六萬(wàn)，由一個(gè) [4Fe-4S] 金屬簇當(dāng)橋梁，連接兩個(gè)相同的次級(jí)單位；含鉬鐵蛋白質(zhì)較大，分子量達(dá)二十五萬(wàn)，由四個(gè)次級(jí)單位（或稱(chēng) α2β2 四聚體）構(gòu)成，這蛋白質(zhì)含兩類(lèi)金屬簇：[8Fe-7S] 簇（稱(chēng)Ｐ簇）與含異檸檬酸配位的 [7Fe-X-9S-Mo] 簇（X 原子可能是碳、氮或氧）。雖然，氮?dú)夥肿拥墓潭ㄅc還原反應(yīng)，詳細(xì)的過(guò)程尚不清楚，一般咸信氮?dú)夥肿涌稍阼F鉬輔助因子上固定，隨著Ｐ簇的靠近，借著腺三磷酸水解產(chǎn)生腺二磷酸的過(guò)程所得的能量，驅(qū)使電子由含鐵的蛋白質(zhì)，單方向地流入含鉬鐵的蛋白質(zhì)，而將氮?dú)膺�原成氨。由于該電子也會(huì)與水中的氫離子反應(yīng)并生成氫，因此含鉬固氮酵素會(huì)與乙炔反應(yīng)生成乙烯。
由催化的角度來(lái)看，催化反應(yīng)通常發(fā)生在金屬上，但是氮?dú)獾降资墙釉阼F鉬輔助因子中哪一個(gè)或數(shù)個(gè)金屬上，至今仍然是個(gè)謎。不過(guò)，固氮酵素將氮?dú)廪D(zhuǎn)換成氨氣，需要分成好幾個(gè)步驟進(jìn)行，因?yàn)榈獨(dú)庵械娱g的鍵結(jié)是由三個(gè)鍵構(gòu)成，要一次打斷三個(gè)鍵頗為困難，所以應(yīng)該是一次打斷一個(gè)鍵的方式，逐次完成由氮轉(zhuǎn)換成氨。
根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果，從氮?dú)庾兂砂睔馐且粋�(gè)可自發(fā)的反應(yīng)過(guò)程。但是，要直接從氮?dú)庾兂砂睔�，需跨越非常高的活化能�?0.9 仟卡／莫耳），一般都是經(jīng)由金屬的催化，一步步地反應(yīng)。氮?dú)饪赡芟扰c金屬觸媒（M）生成 MN2，與氫氣反應(yīng)經(jīng) MN2H2 得到 MN2H4，再與氫氣生成氨氣。目前世界上有很多化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)合成出許多 MN2、MN2H2 和 MN2H4 的金屬錯(cuò)化物，并證實(shí)皆可與氫氣生成氨氣。因此，隨著對(duì)固氮酵素的了解，相信將來(lái)有機(jī)會(huì)發(fā)展出新的催化劑，來(lái)取代目前極耗能源的哈柏法，以大量取得含氮元素的化合物，直接或間接地解決糧食不足的問(wèn)題。