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氧化亞氮（N₂O）在大氣中的留存期為114年， 其全球暖化能力（global warming potential, GWP）約為300，代表其溫室效應潛力約為CO₂的300倍，因此N₂O對臭氧層的破壞及溫室效應的影響是很可觀的。而N₂O最主要的排放來源，為微生物對氮化物的分解；其中之一為在亞硝酸根（NO_2^-）到氮（N₂）脫氮過程中會產生一氧化氮（NO） 與N₂O中間產物，而「一氧化氮還原酶」（nitric oxide reductase, NOR） 就是將NO催化產生N₂O的酵素。由於這項反應牽連到N-N鍵之形成與N-O的斷鍵，因此在合成化學有其意義。另外NOR在人類病原菌裡，協助病原菌破解宿主的防禦機制，例如綠膿桿菌會以細胞色素NOR（cNOR）將宿主分泌的NO毒素催化成對其無害的N₂O。因此對NOR酵素群的結構探討與作用的機制研究，將有助於環境、醫療、藥物等的研發。

以往，雖然NOR酵素催化NO的還原反應已被廣泛的探討，但仍缺乏NOR的三維結構。Hino的團隊首先研究綠膿桿菌的cNOR晶體結構（2.7Å的解析度），由此探討氮循環中NOR酵素進行催化NO還原作用的生化機制。再將NORs 與同屬血紅素銅氧化酶超家族（Heme copper oxidase super family, HCO super family）之下的一支類群酵素細胞色素c 氧化酶群（cytochrome c oxidases, COXs） 比較， 發現COXs會以氧化還原的方式，在一般動物細胞（宿主）促使電子轉移，以協助生物膜上的質子幫浦運作，並形成電位梯度，讓極性物質進出細胞膜，幫助一般宿主細胞功能正常運作。但NORs酵素則在多數微生物病原菌體裡，協助抵抗宿主細胞的防禦機制，致使病原菌得以存活下來，對宿主細胞卻相對不利。同為HCO超家族底下擁有一脈相承的兩種同源酵素群，卻造成了對宿主細胞不同的兩極影響。故詳細比較NORs與COXs結構上的差異，以及深入了解NOR 酵素的反應機制，或許能窺探演化的奧秘。

綠膿桿菌

綠膿桿菌（Pseudomonas aeruginosa），又稱銅綠假單胞菌，是一種革蘭氏陰性菌，為好氧、呈長棒形的細菌。此菌普遍存在於週遭環境的土壤及水當中，而cNOR酵素是其膜蛋白之一，用來催化硝酸鹽的脫氮作用（圖一），是氮循環中極重要的一員。但另一方面，它也是一個伺機型感染細菌，對一些免疫力不全以及患有慢性肺疾病的病人，容易受其感染，導致許多的疾病。

圖一：脫氮路徑。

cNOR酵素的催化功能

在cNOR酵素催化NO產生N₂O的還原過程中（式一），細胞色素C（cytochrome c）提供電子（electron donor），經由催化，將反應物NO 中的氮從正二價還原成正一價形成N₂O。

（式一）

詳細的反應過程為，兩個NO接受兩個電子後，兩個N結合成N=N雙鍵並在兩邊的O各帶一負電荷，形成N₂O₂^2-（連二次硝酸根），之後其中一邊的N-O鍵結斷裂形成N2O，斷裂的氧離子（O2-）則與兩個H+結合形成H₂O。

在P. denitrificans的酵素，cNOR 催化將NO還原成N₂O，其轉移電子的最快速度為每秒轉移40~70個電子。其相伴的氧化反應以每秒轉移10個電子的速度，催化O₂成為H₂O。相較於一種類似的真菌酵素p450- NOR，其從NO每秒轉移約1000個電子的相較之下，cNOR就顯得速度極慢，這是為了維持NO的濃度在5 μM以上，方便NO與氧化酶的鍵結。另外，在Rhodobacter sphaeroides的COX中，其電子轉移速率為每秒大約1500個電子，由此可知在演化的過程中，cNOR傾向於較慢的方向演化，而COX反之。

另外由熱力學數據及計算結果， 發現2NO+2e^-+2H⁺ →N₂O+H₂O的標準反應自由能ΔG⁰= -307kJ/mol，它是自發反應，亦即在此酵素作用時並不需要激發的高能電子推動整個反應。

酵素演化

NOR與COX都被歸為同屬於HCO超家族的酵素群。構造上，最主要之相似處為二者之大次單元（如NorB），皆由12個螺旋結構組成。其次，二者之雙核反應中心皆位於酵素中之疏水區，然而參與反應之金屬粒子不同（NOR 之亞鐵離子vs. COX 之銅離子，圖二）。構造上明顯之相異處則是兩者之小次單元（NorC），NOR 為α-helix（ 螺旋）的構造；COX 為β-sheet（摺板）之構形。此外，在演化中COX 多出His-Tyr 共價鍵，使之能利用同源骨架中原有的血基質（heme）的電子傳遞路徑，並擁有NOR 所缺乏的質子幫浦功能的D- and K- 通道〔註一〕。‥‥‥【更多內容請閱讀科學月刊第522期】

圖二：NOR與COX構型之差異。
註一：D-通道與K-通道為一種廣泛發現於許多酵素中的質子傳遞路徑，被認為是許多細菌酶共有的可能質子傳遞路徑。