生物固氮原理

胡吉利 齐永峰 吕胜满 董申申
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自然界中的N循环
大气中的N2
尿素及动植 物遗体
土壤中的微生物
NO3-
NH3
NO3-
氮素化肥
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工业固氮: N2 工厂 NH3
固 高能固氮: N2 闪电等 NH3 氮 固氮微生物
生物固氮: N2
NH3
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固
按 生
氮 微
物 分 类
生
学 分
物按
的
与 植
种 类
物 关 系
分
1、固氮菌属 2、氮单孢菌属 3、拜耶林克氏菌属 4、德克斯氏菌属
1950年，H.G.德克斯先后提出建立拜耶林 克氏菌属和德克斯氏菌属。
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什么是固氮菌
• 细菌的一科。菌体杆状、 卵圆形或球形，无内生 芽孢，革兰氏染色阴性。 严格好氧性，有机营养 型，能固定空气中的氮 素。
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生物固氮(nitrogen fixation )
定义： 分子态氮在生物体内还原为氨的过程
（活体内）铁氧还蛋白
或黄素蛋白 （活体外）Na2S2O4
} 铁蛋白 →
MgATP
钼铁蛋白→底物
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2.底物的结合和还原 MoFeP辅基是底物结合的部位，从铁钼辅
基中铁配位不饱和的事实出发，一般认为， 底物是通过与三角形配位的铁配位而结合 的 过。 铁但钼也辅有基其中他 存观 在点 的：Fe—一F种e键认形为成N2F分e—子N通键 而与铁钼蛋白结合；也有人认为以另一种 方式结合。
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ATP ADP+Pi
e-+H+ 固氮酶
N2
乙炔
乙烯
NH3
固氮作用的总反应可用简式表示：
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固氮酶！！
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固氮酶由2种蛋白质组成：一种为含有 钼和铁的钼铁蛋白，分子量为
200000；另一种为含铁的铁蛋白,分 子量为65000。铁蛋白具有很强的还 原力，它提供电子给钼铁蛋白。钼 铁蛋白能与氮气分子络合，然后使 之还原为氨。在这个过程中，需要 腺苷三磷酸 (ATP)提供能量和铁氧还
减少致癌物质对人类的危害。
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前景
设想：将固氮基因转移到非豆科作物 细胞内，使其自行固氮
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谢 谢！
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如：氮酶催化反应
HCN + 6H+ + 6e → CH4 + NH3 N2O + 3H+ + 2e → N2 + NH3 C2H2 + 2H+ + 2e → C2H4
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二、固氮酶的组成和结构
固氮酶由各种固氮微生物分离出来,均为 由钼铁蛋白和铁蛋白组成。 1993年才基 本确定
功能: 铁蛋白是依赖于ATP供给能量的电 子传递体,把电子传递给钼铁蛋白,钼铁蛋
白结合底物（N2）分子并催化其还原。
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三、固氮酶作用机理研究
固氮酶中铁蛋白的作用是传递电子, 钼铁 蛋白与底物结合并还原N2的催化部位,即 N2只有与钼铁蛋白结合、方可被催化还 原为NH3。
固氮酶的作用机理包括: 电子的传递、N2分子的键合、催化和还 原等。
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1.电子的传递 研究表明，在固氮酶催化N2和其他底物 的还原反应中，电子传递顺序为：
特点： 1、生物固氮是固氮微生物的一种特殊的生
理功能，具固氮作用的微生物约近50个属， 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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2、不同固氮微生物的固氮酶均由钼铁蛋白 和铁蛋白组成。固氮酶必须在厌氧条件 下，即在低的氧化还原条件下才能催化 反应
3、固氮作用过程十分复杂，目前还不完全 清楚。
共生固氮微生物
自生固氮微生物
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固氮菌的发现
1901年，M.W.拜耶林克首先发现并描述了 这类细菌，他定名的有2个种：一是褐色固 氮菌,常生存于中性或碱性土壤中；一是活 泼固氮菌，常生存于水中。
1938年，C.H.维诺格拉茨基将生产孢囊的 菌株（以褐色固氮菌为代表）归属于固氮 菌属，将不产生孢囊的菌株（以活泼固氮 菌为代表）归属于氮单孢菌属。
N决2与的铁问钼题辅。基结合方式目前仍是N一个未解
FeN N-Fe
Fe
Fe
பைடு நூலகம்
N
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固氮酶的作用机理小结: 电子的传递、N2分子的键合、催化和还 原等。
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意义与前景
意义：
1、弥补土壤中氮素损失 2、进行根瘤菌拌种，提高豆科
作物产量
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3、固氮微生物的固氮过程完全是生物 和微生物自发进行的，无须提供任何 能源和设备，因而它减少了能源的消 耗。由于全部固氮过程都是生物活动， 无污染物排放，有利于保护生态环境。 同时，由于减少和免除了化学氮素的 投入，使农产品中硝酸和亚硝酸物质 大幅度降低，提高了农产品的品质，
蛋白充当强还原剂。
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一、固氮酶的催化反应
固氮酶来源于多种固氮微生物,能催化大 气中的N2还原为NH3,
N2+8H+ + 8e- + 16MgATP→ 2NH3 + H2 + 16MgADP + 16Pi
(无机磷酸盐)
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除催化N2还原为NH3外,固氮酶还能和许
多小分子底物作用,没有严格的专一性。