氮素的地球循环

固氮酶
细菌 放线菌 蓝细菌
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生物固氮
另外根据固氮微生物与高等植物的关系，可分为自生固氮菌、共生 固氮菌以及联合固氮菌。其所进行的固氮作用分别称为自生固氮，共生 固氮或联合固氮。
克雷伯氏菌属
联合固氮菌 自生固氮菌 共生固氮菌
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体中由谷氨酸脱氢酶(glutamate dehydrogonase)催化氧化脱氨。谷 氨酸脱氢酶系不需氧脱氢酶，以 NAD+或NADP+作为辅酶。氧化反 应通过谷氨酸α脱氢转给NAD(P)+形 成α-亚氨基戊二酸，再水解生成α-酮 戊二酸和氨
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Contents
在此氮素流动过程的基础上结合不同生物类别 的不同角色,并且结合环境工程专业的应用来综合考 虑,可以从以下四个方面介绍： 1 2 3 4
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固氮作用
氮素在动植物体内的动态变化
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转氨基作用
转氨基作用(Transamination)指在转氨酶催化下将α-氨基酸的氨基转给另一个α-酮 酸，生成相应的α-酮酸和一种新的α-氨基酸的过程。 体内绝大多数氨基酸通过转氨基作用脱氨。参与蛋白质合成的20种α-氨基酸中， 除甘氨酸、赖氨酸、苏氨酸和脯氨酸不参加转氨基作用，其余均可由特异的转氨酶催 化参加转氨基作用。转氨基作用最重要的氨基受体是α-酮戊二酸，产生谷氨酸作为新 生成氨基酸。 生成的谷氨酸在酶的作用下进一步将氨基转给其他酮酸生成相应的氨基酸 。 进一步将谷氨酸中的氨基转给草酰乙酸，生成α-酮戊二酸和天冬氨酸：
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Logo 氨基酸的代谢
食物蛋白经过消化吸收后，以氨基酸的形 式通过血液循环运到全身的各组织。这种来源的 氨基酸称为外源性基酸。机体各组织的蛋白质在 组织酶的作用下，也不断地分解成为氨基酸；机 体还能合成部分氨基酸(非必需氨基酸)；这两种 来源的氨基酸称为内源性氨基酸。外源性氨基酸 和内源性氨基酸彼此之间没有区别，共同构成了 机体的氨基酸代谢库(metabolic pool)。氨基酸代 谢库通常以游离氨基酸总量计算，机体没有专一 的组织器官储存氨基酸，氨基酸代谢库实际上包 括细胞内液、细胞间液和血液中的氨基酸。 氨基酸的主要功能是合成蛋白质，也合成 多肽及其他含氮的生理活性物质。除了维生素之 外(维生素PP是个例外)体内的各种含氮物质几种 都可由氨基酸转变而成，包括蛋白质、肽类激素 、氨基酸衍生物、黑色素、嘌呤碱、嘧啶碱、肌 酸、胺类、辅酶或辅基等。
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氮素的地球循环 课题组成员
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氮素的地球循环
总体上来讲，地球氮循 环的主要环节包括 ①大气中的氮气可通过三条 途径被“固定”。 ②生物群落中的氮素传递， 是以有机氮形式通过生物的 同化作用实现的。 ③动植物遗体、排出物(如尿 素等)、残落物中的有机氮， 通过微生物的氨化作用及硝 化作用转变成为植物再度利 用的形式。 ④在氧气不足的条件下，土 壤中的硝酸盐被反硝化细菌 等多种微生物还原成亚硝酸 盐，并且进一步还原成分子 态氮，分子态氮则返回到大 气中。
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Fe-蛋白—Mg—ATP复合物转移掉电子以后恢 复成其氧化型，同时ATP水解成为ADP十Pi。 实际上，在1分子氮还原形成2分子NH3的过程 中有8个电子转移，其中的2个电子以氢气的形 式用去，但其原因尚不清楚，不过有证据表明 ，H2的产生是固氮酶反应机制中一个不可分 割的组成部分。
N 2 + 8H + 8e + (18~ 24) ATP→
+ −
2NH + H + (18~ 24) ADP + (18~ 24)Pi
3 2
固氮酶
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固氮过程
目前一般认为可以把固氮分为以下两个阶段：
固氮酶的形成：
①还原型吡啶核苷酸的电子经载体 黄素氧还蛋白传递到组分Fe-蛋白的 铁原子上形成还原型Fe-蛋白. ②它先与ATP—Mg结合生成变构的 Fe-蛋白—Mg-ATP复合物； ③然后再与此时已与Fe -Mo蛋白(氧 化型)一起形成1：1的复合物——固 氮酶； 固氮阶段： 固氮阶段 ①固氮酶分子的一个电子从Fe-蛋白 —Mg—ATP复合物转移到组分Fe Mo蛋白的铁原子上。 ②电子转移给钼结合的活化分子氮 。通过6次这样的电子转移，将1分 子氮还原成2分子NH3。
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固氮反应
固氮是还原分子氮的过程，所以需要消耗大量的能量和还原力。 固氮是还原分子氮的过程，所以需要消耗大量的能量和还原力。固氮所需要 的能量是以ATP形成供应的。固定 形成供应的。 分子氮需耗费18—24nol/l的ATP。还原 的能量是以 形成供应的 固定1mol分子氮需耗费 分子氮需耗费 的 。 力(H)以还原型吡啶核苷酸[NAD(P)H+H+]或者铁氧还蛋白(Fd.2H)的形式提供。 能量与还原力由有氧呼吸、无氧呼吸、发酵或光合作用提供。 固氮作用过程十分复杂，目前还不完全清楚。各种固氮微生物进行固氮作用 的总反应可以用下式表示
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固氮酶
还原分子氮成为氨的作用是由双组分固氮酶(dnitroRenase)复合体催化的， 其中一种组分为固氮酶，经测定含有铁(Fe)和钼(Mo)，因此一般认为不同固氮微 生物的固氮酶均由钼铁蛋白 铁蛋白 钼铁蛋白和铁蛋白 钼铁蛋白 铁蛋白组成。另外一种组分为固氮酶还原酶，经测 定只含有铁(Fe)，而没有钼。特别指明的是固氮酶对氧极其敏感，所以固氮需要 有严格厌氧的微环境。另外，固氮时还需要有Mg2+的存在。 应该指出，固氮酶对N2不是专一的，它也可还原其他一些化合物，如 C2H2→C2H4； 2H+ N20→N2十H20； HCN→CH4十NH3十[CH3NH2] 。 特别是其中还原乙炔的反应，灵敏度高，测定简便，只要将样品(可以是土 壤、水、培养物或细胞提取物)与乙炔一起保温，然后用气相色谱分析所产生的 乙烯就可测知酶活力。所以乙炔还原法成了当今固氮研究中测定纯酶制剂固氮活 力和天然固氮系统固氮活力的一种常规方法。
氮素在动植物体内的动态变化
氨基酸的生物合成
1
氨基酸的代谢
2
脱氨基作用
脱羧基作用
3
尿素合成
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氨基酸的生物合成
半胱氨酸 苯丙氨酸 酪氨酸 色氨酸
甘油酸-3-磷酸 甘油酸 磷酸 衍生类型
甘氨酸 丝氨酸
NH
3
碳骨架
草酰乙酸 衍生类型
天冬酰胺 天冬胺酸
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Logo 谷氨酸、 谷氨酸、谷氨酰胺的生物合成
谷氨酸在谷氨酰胺合成酶的催化 下形成谷氨酰胺。 前述的α-酮戊二酸直接与氨由谷 氨酸脱氢酶合成谷氨酸的途径在自然 界中并不普遍。只有少数生物当环境 中的NH4+离子浓度很高时，才以此 途径形成谷氨酸。最普遍的合成谷氨 酸的途径其实是由谷氨酸合酶催化的 α-酮戊二酸接受L-谷氨酰胺的酰胺基 形成谷氨酸反应。在这个反应中实际 形成了两个谷氨酸分子。 谷氨酰胺是许多生物合成反应的 氨基供体，同时也是体内NH2的贮存 形式。谷氨酰胺合成酶位于体内氨代 谢的中枢位置。实事上，此酶由α－ 酮戊二酸激活，此种调控作用有利于 防止谷氨酸氧化脱氨造成体内氨的堆 积。
微生物的氨化、 微生物的氨化、硝化与反硝化作用
生物脱氮作用
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固氮作用
自然界中的氮素主要以分子 氮的形式存在，分子氮(N2)在大 气中的含量很丰富，约占78％ (V(N2)／V(空气))但绝大多数生物 无法直接利用。只有当游离氮被 “固定”成为含氮化合物后才能 被这些生物吸收利用，使氮成为 活细胞的一部分并进入生态系统 中的食物链。
微生物的氨化、 微生物的氨化、硝化与反硝化作用
生物脱氮作用
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氮素在动植物体内的动态变化
食物链
合成氨基酸 转变成其它含氮化合物 通过根系排出体外
合成非必须氨基酸
NH
3
转变成其它含氮化合物 合成尿素
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生物固氮研究的进展
人类对生物固氮研究已有一百多年，我国对生物的 互利共生固氮现象也进行了长达六十余年的探索性研究 。通过生物技术改造固氮微生物和现有的农作物，使生 物固氮工程的研究已经进入一个新的历史阶段。扩大生 物间互利共生固氮范围和将豆科植物的固氮能力转移到 非豆科植物中的研究已呈现出希望之光。将逐步实现禾 本科农作物与固氮微生物共生结瘤固氮的美好愿望。当 前在生物固氮研究中的重大突破是已经能将固氮基因插 入到非豆科植物例如谷物中以及大肠杆菌中。 可以预料，将固氨酶系统的DNA转移到高 等植物中显然会遇到更复杂的问题，但随着基 因工程知识的增长，将会得到最终的解决。 如果将固氮酶移植到叶绿体当中，那么一 株植物就能够在进行光合作用的同时进行生物 固氮。这样，人类能够利用的资源总量将会有 极大的飞跃，这对于即将出现“能源危机”的 人类来讲具有极大的现实意义。
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生物固氮
生物固氮：即分子态氮在生物体内还原为氨的过程。大气中90％以上的分 子态氮都是通过固氮微生物的作用被还原为氨的。生物固氮是固氮微生物的一种 特殊的生理功能，已知具固氮作用的微生约近50个属。包括细菌、放线菌和蓝细菌
（即蓝藻）。它们的生活方式、固氮作用类型有较大区别，但细胞内都具有固氮酶 。
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在此氮素流动过程的基础上结合不同生物类别 的不同角色,并且结合环境工程专业的应用来综合考 虑,可以从以下四个方面介绍： 1 2 3 4
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固氮作用
氮素在动植物体内的动态变化
含氮化合物
生态系统
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Logo 固氮
人工固氮 天然固氮 生物固氮
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天然固氮
大自然中的一些自然现象也为固氮 作用提供了条件，雷雨天气的闪电，通 过电离作用，使大气中的氮氧化成硝酸 盐，硝酸盐由雨水带入土壤。研究表明 ，一次闪电能够产生80～1500kg的一氧 化氮。
稀醇丙酮酸 衍生类型 丙胺酸 (植物﹑微生物 植物﹑ 植物 丙酮酸 衍生类型
脯氨酸
谷氨酸 谷氨酰胺
氨基酸
苏氨酸 赖氨酸 精氨酸
组氨酸 甲硫氨酸 颉氨酸 www.themegallery.com 亮氨酸 异亮氨酸
谷氨酸 衍生类型
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Logo 谷氨酸的生物合成
α-酮戊二酸与游离氨经L-谷氨酸脱氢酶的催化作用形成谷氨酸。谷氨酸脱氢酶催化 时是以NAD/NADH作为辅酶，该酶的催化反应是可逆的，但有利于氧化脱氨基反应由 于该酶对氨的高敏感性，它催化合成谷氨酸的能力在不同生物体中是不同的。 事实上随着研究深入，人们发现植物、微生物的谷氨酸并非来源于游离氨，而来 源于谷氨酰胺的酰胺基。
联合脱氨 基作用
仅依靠单独的脱氢酶不能完成，而需要转氨基 作用和氧化脱氨基作用配合进行的脱氨基作用 称为联合脱氨基作用
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氧化脱氨基作用
氧化脱氨基作用是指在酶的 催化下氨基酸在氧化脱氢的同时 脱去氨基的过程。 以谷氨酸为例，谷氨酸在线粒
另外， 当火山喷发时喷射出的岩浆 ，由于处于高温条件下也可以固定大气 中部分的氮。
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Fra Baidu bibliotek
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人工固氮
工业上通常用H2和N2 在催化剂、高温、高压下合成氨
卢 嘉 锡
合成氨 化 工业 高 化工、 工业 ,合成氨 ( N ) 78.2Mt 工业用氨 10Mt 氨 12
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脱氨基 作用
脱氨基 作用
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脱氨基作用
氧化脱氨 基作用
氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成相应的α-酮 酸的过程称为氧化脱氨基作用
转氨基 作用
一种α-氨基酸的氨基可以转移到α-酮酸上，从 而生成相应的一分子α-酮酸和一分子α-氨基酸 ，这种作用称为转氨基作用