固氮酶催化作用的分子机理40多年来一直是多学科研究的热点。自上世纪90年代初固氮酶钼铁蛋白和铁蛋白的三维空间结构成功解析以来，国际上有关固氮酶结构与功能之间的关系研究十分活跃并取得了很大的进展，但还有一些与酶促反应动态有关的关键问题，如N2与活性中心作用的位置和配位活化与反应机理、质子(电子)传递途径、固氮酶酶促还原N2为什么必须放氢等，至今尚未见明确答案。　　 本文通过阅读大量的文献资料，对固氮酶研究的最新进展进行了综合评述，并对一些重要的问题提出自己的看法和见解。在论文工作方面，作者主要在本课题组长期工作积累的基础上，进行固氮酶催化作用机理相关的课题研究，其主要工作可概括为以下几个方面：　　 (1)设计了一条合成高柠檬酸及其同系物的路线。　　 高柠檬酸是固氮酶发挥正常功能所不可或缺的有机组份。尽管通常认为高柠檬酸是质子(电子)传递的载体，但有关它在酶促反应中承担的具体功能还不清楚。根据Ludden等提出的参与FeMoco生物离体合成的有机羧酸的结构模型并结合我们实验室长期以来在固氮酶基础研究方面的工作积累，我们推断高柠檬酸的同系物对酶促固氮活性的影响可能与高柠檬酸相近。通过这些同系物对酶促反应活性影响的研究，将有可能揭示高柠檬酸的重要作用。　　 由于商业渠道获得的高柠檬酸价格非常昂贵(＞1000美元/克)，而且其同系物至今仍未见报道，因此在本论文中，我们首先设计了一条合成高柠檬酸及其同系物的路线(Scheme1和Scheme2)。　　 Scheme1　　 Scheme2　　 在所设计的路线中，反应的关键步骤是底物α-氧代二羧酸(酯)的制备，底物α-氧代二羧酸(酯)在金属铟介入下的烯丙基烷基化，以及随后烯丙基双键的氧化。与其它合成方法相比，本路线不仅灵活多用、适于较大量制备，而且关键步骤分别使用水和乙酸乙酯做溶剂，比较符合现代绿色化学发展的要求。　　 更为重要的是，高柠檬酸及其同系物的合成，为我们研究高柠檬酸的功能、以及化学模拟FeMoco钼原子的配位微环境提供了非常重要的探针手段。　　 (2)探讨配体取代方法代替FeMoco生物离体合成的可行性。　　 FeMoco的生物离体合成需要UW45(缺FeMoco的钼铁蛋白)、基因nifE、nifN等的参与，其过程相当复杂繁琐。从配位化学的观点看，高柠檬酸被其它有机羧酸替换属于典型的配体取代反应。因此在本文中，我们反复尝试配体取代的方法调变钼铁蛋白钼位上的外配体，以探讨其代替FeMoco生物离体合成的可行性。　　 实验结果表明，这种配体取代的方法局限性很大。因此为了研究所合成的探针分子对酶促固氮活性的影响、进一步揭示高柠檬酸在酶促反应中承担的重要功能，看来仍须采用生物离体合成的方法。但由于条件限制，这项工作只能稍后进行。　　 (3)研究了不同N2浓度对C2D2还原活性和加氢还原产物C2D2H2立体选择性的影响。　　 C2D2是一个非常重要的分子探针。在本文中，我们对本研究组1995年提出的一种分子探针实验方法进行了复试，研究了不同N2浓度对C2D2还原活性和加氢还原产物C2D2H2立体选择性的影响。取得了新的实验数据，加深了我们对固氮酶催化作用本质的理解。　　 (4)提出固氮酶质子传递的可能途径。　　 质子是所有底物还原所必须的。但在固氮酶中，质子的来源及其传递的方式/途径目前仍存在不小的争议。质子传递是固氮酶催化机制的重要组成部分，对其深入研究将有助于理解固氮酶催化作用的分子机理。　　 在本论文中，我们通过分析高分辨的固氮酶钼铁蛋白的三维空间结构并结合已知的酶促反应及其它生化结果，提出了固氮酶质子传递的可能途径，从而进一步充实了本课题组早期提出的固氮酶中存在两条质子传递通道的论据。　　 总之，本论文的研究工作具有较为重要的创新性和学术价值。高柠檬酸及其同系物的合成，为我们研究高柠檬酸的功能以及揭示固氮酶催化作用的分子机理提供了非常重要的分子探针；N2对C2D2还原的抑制行为研究，以及质子传递途径的研究，进一步深化我们对固氮酶的认识，加深我们固氮酶催化作用本质的理解。