生物固氮

生物固氮生物固氮作用的意义生物固氮作用分子态N在部分微生物体内经固氮酶催化还原为NH3的生物学过程。意义①生物固N作用形成的化合态N是土壤化合态N的一个重要来源；②直接提高作物能吸收的N素营养；③降低农本。第二节固氮微生物和固N体系一、固氮微生物50个属100多种，包括细菌、放线菌、蓝细菌等原核微生物二、固氮种类①自生固N菌②共生固N菌③联合固N菌（1）自生固N菌自生固氮菌能独立进行固氮，在固氮酶的作用下将分子态N转化为氨，但不释放到环境中，而是进一步合成氨基酸，组成自身蛋白质。主要属种专性好气专性厌气兼性厌气固氮菌属、产碱菌属固氮单胞菌属鱼腥藻属梭菌属、着色菌属、脱硫弧菌属绿假单胞菌属（绿色硫杆菌）克雷伯菌属红螺菌属、红假单胞菌属（2）共生固N菌指必须与其他生物共生在一起时才能进行固氮的微生物。与自生固氮菌相比，共生固氮菌有更高的固氮效率常见共生体根瘤共生体地衣共生体苔藓共生体★根瘤菌与豆科植物；★弗兰克氏菌属（放线菌）与非豆科植物（木麻黄，杨梅，沙枣）（3）联合固N菌这是一类必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的微生物。联合固N菌不同于典型的共生固氮菌，不形成根瘤等特殊结构；也不同于滋生固氮菌，因为它们有较强的寄主专一性，并且孤单作用比在自生生条件下强的多联合固氮菌根际：固氮螺菌属、克雷伯菌属叶面：克雷伯菌属、固氮菌属动物肠道：肠杆菌属生物固氮作用的机理N2＋8e－＋8H＋＋18~24ATP2NH3＋H2＋18~24(ADP＋Pi)固N酶厌气生物固氮反应的6要素•1、ATP的供应•2、还原力【H】及其传递载体•3、固氮酶•4、还原底物---氮气•5、镁离子•6、严格的厌氧环境一、固N酶的特性A.组分B.性质Ⅰ——称为固氮酶，由2大2小共四个亚基组成，含铁原子和钼原子，为钼铁蛋白，铁和钼组成一个称为“FeMoCo”的辅因子，是还原氮气的活性中心Ⅱ——称作固氮酶还原酶，由2个大小相同的亚基构成，只含铁原子为铁蛋白，其功能是传递电子到组分Ⅰ上①固氮酶两个组分具互补性，来源于不同固氮微生物的固氮酶组分可以组合表现酶活性，其强弱视亲缘关系的远近；②氧的敏感性，遇氧不可逆变性失活；③具底物的多样性，除能将分子态N还原为氨外，还能催化许多底物的还原。低Eh（-490mv）条件下进行固N作用。HC≡CH→H2C=CH2H+→H2N2O→N2一、固N酶的特性固氮作用的生化途径：1、由电子载体铁氧还蛋白（Fd)或黄素氧还蛋白(Fld)向氧化型固二氮酶还原酶的铁原子提供一个电子，使其还原•2还原型的固二氮酶还原酶与ATP-Mg结合改变构象•3固二氮酶在FeMoCo的Mo位点上与分子氮结合，并与固二氮酶还原酶-Mg-ATP复合物反应，形成一个1:1的复合物，即完整的固氮酶•4在固氮酶分子上有一个电子从固二氮酶还原酶-Mg-ATP复合物转移到固二氮酶的铁原子上，这时固二氮酶还原酶重新转变成氧化态，同时ATP水解成ADP+Pi•5通过上述过程连续6次的运转，才可使固二氮酶释放出2个氨气分子二、固N酶催化反应的条件1、催化反应所需的能量和电子还原1分子N2为2NH3，共需18~24个ATP，其中①好气性固N微生物——氧化磷酸化（底物水平，电子传递磷酸化）②厌气性固N微生物——底物水平磷酸化③光合固N微生物——光合磷酸化（1）ATP的来源二、固N酶催化反应的条件①呼吸、发酵或光合作用形成的还原力，如NAD(P)＋H＋，H2，丙酮酸（生理性电子供体），这类电子供体提供的电子须由电子载体携带，如铁氧还蛋白、黄素氧还蛋白。②非生理性电子供体：是一类强还原性的化学物质，如连二亚硫酸钠。（2）电子的来源：由电子供体提供电子：还原1分子N2为2NH3，共需8个电子，其中6个用于N2的还原，2个电子用于H+的还原。2、固N酶催化反应的抑制（1）氢的抑制H＋是固N作用的专一性竞争抑制剂原因：H+和N2在固氮酶上的结合位点相同；竞争能量和电子。在分子态N的还原过程中总是伴有H2的释放，这一现象称为放氢现象：2H+固N酶H2H2吸氢酶O22H+＋2e－二、固N酶催化反应的条件（2）氧的抑制3.固N酶催化反应的抑制A.氧的敏感性O2使电子载体氧化，影响电子传递；O2使固氮酶某些蛋白氧化变性，产生不可逆的失活。原因：I.共生固氮菌——根瘤菌的防氧保护机制：豆血红蛋白（L6）存在于根瘤菌细胞的泡囊，类菌体细胞的周围；L6既可以加氧状态存在，又可以脱氧存在，使L6成为氧的调节剂。L6O2↔L6＋O2豆血红蛋白是共生体根瘤形成过程中由根瘤菌和植物的基因共同形成的，其中根瘤菌产血红素，植物产球蛋白,但须由根瘤菌诱导才能产生。L6O2可以高流速低浓度的氧流向类菌体，提供生长所需O2。这样既保证类菌体生长，又保证类菌体细胞内的固氮酶不受高浓度氧的抑制。II.好气性自生固氮菌的防氧保护机制呼吸保护作用构象保护作用当体内含有高浓度O2时，通过改变呼吸途径，消耗大量底物同时也就消耗了大量的O2。将固氮酶可逆的结合处Fe-S蛋白上形成一种蛋白复合体，该复合体能增加对氧的稳定性，当体内高浓度O2消耗后，这种蛋白复合体自行解体，固氮酶恢复其固氮的催化作用。通过产生过氧化物歧化酶，对过氧化物具解毒作用，保护固氮酶免受过氧化物的抑制。III.好气性固氮蓝细菌的防氧保护机制异形胞——胞壁厚，防止O2、水及其他化合物的渗透。异形胞中央部分的类囊体膜消失，使其光合系统Ⅱ失活（光合系统Ⅱ主要是光解水产生H+和O2），它通过环式光合磷酸化产生ATP和还原剂NADPH。（3）固氮作用中的氨效应及其调节3.固N酶催化反应的抑制由于过量的化合态N的存在影响固氮酶的活性或者由于固N产物NH3的累积，抑制固N酶的生物合成，使固N作用中断的现象。氨效应机理大量的铵盐损坏细胞膜，影响电子向固N酶的转移；由于谷氨酰胺合成酶受到高浓度各种氨基酸的反馈抑制，使该酶负责调控固N酶合成基因的遗传密码的能力受抑制，从而造成固N酶基因转录中止，固N作用中断。氨的调节自生固N菌：95％NH3用于细胞自身，5％分泌到胞外。共生固N菌：固N在根瘤的类菌体细胞中进行，因为类菌体细胞不具上述同化氨的酶系统，所以必须将固N产生的NH395％分泌到类菌体细胞外的根瘤的植物细胞浆中，通过谷氨酰胺脱氢酶（GDH）的作用，形成酰胺型的各种有机N化物，再通过植物的输导系统运输到植物的各个部位。（3）固氮作用中的氨效应及其调节•大气中的氮气可通过几条途径被“固定”？1）生物固氮2）工业固氮（生产氮素化肥）3）高能固氮（闪电）将固氮细菌体内的固氮基因转移到非豆科粮食作物的细胞内，在固氮基因的调控下，让非豆科粮食作物的细胞内合成出固氮酶并且固氮，这是解决非豆科粮食作物自行固氮的一条重要途径，这一途径叫做固氮基因工程。（五）生物固氮研究前景•固氮基因工程：•Thankyouforyouattention