生物固氮
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豆血红蛋白(Ieghemoglobin)为一共生合成蛋白， 其珠蛋白部分由植物合成，而血红素基团由根瘤菌 (Rhizohium)合成，其对O2有很高的亲和力。
2.5 固氮过程的氢代谢 固氮过程常伴随有氢代谢，氢代谢比较复杂， 主要包括以下内容： ①固氮酶的放氢反应 由固氮总反应式可见，固氮酶不仅还原氮， 也还原H+形成出H2，反应需要 ATP，CO不 能抑制。 N2+8e+16ATP+16H2O+8H+→2NH3+H2+ 16ADP+16Pi
自然界中的不同氮化物发生互相转化，形成一 个氮素循环(nitrogen cycle)。
生物界的氮代谢是自然界氮循环的主要因素。
在自然界氮循环中，还包括工业固氮和大气固氮
(如闪电)等把N2转变为氨和硝酸盐的过程。
氮的循环(The Nitrogen Cycle)
2. 生物固氮的生物化学 2.1. 生物固氮的概念
②固氮酶
固氮酶也称钼铁蛋白，利用还原酶提供的高 能电子还原 N2 成 NH4+。它是由 2 个 亚基和 2 个 亚 基组成的四聚体，相对分子质量为220 000。其氧 化还原中心含有 2 个钼原子、 32个铁原子和相应数 目的酸不稳定硫。 由还原酶向固氮酶的电子传递与还原酶上的 ATP 水解相偶联，由 N2 到 NH3 的还原过程需 6 个电 子：
在根瘤中植物为固氮菌提供碳源，而细菌利用 植物提供的能源固氮，为植物提供氮源，形成一个 很好的互利共生体系。
共生固氮
2.3
固氮酶复合物
生物固氮过程由固氮酶复合物完成。 固氮酶复合物由还原酶和固氮酶组成。
固氮酶系统
（还原态铁氧还蛋白）
固氮酶的还原酶部分
Biblioteka Baidu
固氮酶的固氮酶部分
固氮酶复合物的酶和辅助因子
N2+3H2＝2NH3
固氮能量耗费大，而且会污染环境，因此大力 发展生物固氮对增加农作物氮肥来源有重大意义。
生物固氮是在常温常压条件下，在生物体内由 酶催化进行。
目前国内外对生物固氮的生化过程及机理正在 积极开展研究，在了解了固氮机理之后，就可以人 工模拟，以节省能源，减少污染，开拓作物肥源。 可以通过基因工程使非固氮生物转化为固氮生物。
2.2 固氮生物的类型
目前已发现的固氮生物近 50 个属，包括细菌、 放线菌和蓝细菌，根据固氮微生物与高等植物和其 他生物的关系，可分为自生固氮微生物和共生固氮 微生物两类。
2.2.1 自生固氮微生物(diazatrophs)
自生固氮微生物是指独立生活时能使气态氮固定为 NH3的少数微生物。
固氮有两种方式： ①利用光能还原氮气。
1. 氮素循环 2. 生物固氮的生物化学 3. 硝酸还原作用 4. 氨的同化
1. 氮素循环
氮素是生物的必需元素之一。在生命活动中起 重要作用的化合物，如蛋白质、核酸、酶、某些激 素和维生素、叶绿素和血红素等均含有氮元素。因 此，在动、植物和微生物的生命活动中氮素起着极 其重要的作用，整个生物界在生长发育的全部过程 中都进行着氮素代谢。
如好气性固氮菌(Azotobacter)、贝氏固氮菌 (Bciierinckia)及厌气的巴斯德梭菌(Clostridium pasteurzanum)和克氏杆菌(Klebsiella)等。
2.2.2 共生固氮微生物
如与豆科植物共生固氮的根瘤菌 (Rhizobium) ， 其专一性强，不同的菌株只能感染一定的植物，形 成共生的根瘤。
固氮酶二亚基 S
Fe Fe-S ADP 还原酶二亚基 铁钼中心 Mo
固 的氮 可酶 能钼 结铁 合与 氮
①还原酶
还原酶也称铁蛋白，提供具有高还原势
的电子，它是由两个相同亚基组成的二聚体， 含有一个[Fe4S4]簇，每次可传递一个电子。
此外，还有2个ATP结合位点。
相对分子质量为64 000，也是一个铁硫蛋白，
生物固氮(biological nitrogen fixation)是微 生物、藻类和与高等植物共生的微生物通过自身 的固氮酶复合物把分子氮变成氨的过程。 自然界通过生物固氮的量可达每年 1011kg，约 占地球上的固氮量的 60 ％，闪电和紫外辐射固定 氮约15％，其余为工业固氮。
氮气中的N≡N键十分稳定，1910年Fritz Haber 提出的作用条件在工业氮肥生产中一直沿用至今。 500℃高温和 30MPa 条件下，用铁做催化剂使 H2 还 原N2成氨。
2.4 生物固氮所需的条件 固氮酶催化的反应需要满足： ①充分的ATP供应。豌豆根系固氮细菌消耗植 株ATP量的近1/5； ②需要很强的还原剂。高还原势电子来自Fdred， 其是光合链的电子载体。 Fd的再生或来自光 合作用，或来自氧化过程；
③需要厌氧环境，因氮酶对氧十分敏感，只有 在严格的厌氧条件下才能固氮。因此，对好 气细菌来说必须有严格的防氧机制以使酶不 被氧伤害。 在豆科植物根瘤中，豆血红蛋白起着降低氧浓 度以保护固氮酶的作用。
N2+6e+6H+=2NH3
在N2还原过程中还形成H2，因此，N2固定过程的反应 为：
N2+8 e+8H+→NH3+H2
8个高能电子来自Fdred（还原态铁氧还蛋白），Fdred的
电子来自PSI或呼吸电子传递链。
固氮作用的可能过程
一般认为固氮过程可分为三个步骤，每一步都有二个 电子被转移，而且二亚胺和肼可能是维持与酶结合的 反应中间物：
如鱼腥藻(Anabaena)、念球藻(Nostoc)，固氮过程与还原 CO2类似。
大多数固氮蓝藻
另一些微生物如红螺菌(Rhodospirillum)、红色极
毛杆菌(Rhodopseudomonas)、绿杆菌
(Chloroblium)等也能利用光能从硫、硫化物、氢 或有机物取得电子进行固氮。
②利用化学能固氮
N=N [HN=NH H2N-NH2 ]2NH3
分子氮
2e-,2H+
二亚胺
2e-,2H+
肼
2e-,2H+
氮
N2+8e-+8H++16ATP 2NH3+H2+16ADP+16Pi
生物固氮的总反应为： N2+8e+16ATP+16H2O+8H+→2NH3+H2+
16ADP+16Pi 由反应式可见固氮过程消耗能量非常多，共有 16个ATP被水解。
2.5 固氮过程的氢代谢 固氮过程常伴随有氢代谢，氢代谢比较复杂， 主要包括以下内容： ①固氮酶的放氢反应 由固氮总反应式可见，固氮酶不仅还原氮， 也还原H+形成出H2，反应需要 ATP，CO不 能抑制。 N2+8e+16ATP+16H2O+8H+→2NH3+H2+ 16ADP+16Pi
自然界中的不同氮化物发生互相转化，形成一 个氮素循环(nitrogen cycle)。
生物界的氮代谢是自然界氮循环的主要因素。
在自然界氮循环中，还包括工业固氮和大气固氮
(如闪电)等把N2转变为氨和硝酸盐的过程。
氮的循环(The Nitrogen Cycle)
2. 生物固氮的生物化学 2.1. 生物固氮的概念
②固氮酶
固氮酶也称钼铁蛋白，利用还原酶提供的高 能电子还原 N2 成 NH4+。它是由 2 个 亚基和 2 个 亚 基组成的四聚体，相对分子质量为220 000。其氧 化还原中心含有 2 个钼原子、 32个铁原子和相应数 目的酸不稳定硫。 由还原酶向固氮酶的电子传递与还原酶上的 ATP 水解相偶联，由 N2 到 NH3 的还原过程需 6 个电 子：
在根瘤中植物为固氮菌提供碳源，而细菌利用 植物提供的能源固氮，为植物提供氮源，形成一个 很好的互利共生体系。
共生固氮
2.3
固氮酶复合物
生物固氮过程由固氮酶复合物完成。 固氮酶复合物由还原酶和固氮酶组成。
固氮酶系统
（还原态铁氧还蛋白）
固氮酶的还原酶部分
Biblioteka Baidu
固氮酶的固氮酶部分
固氮酶复合物的酶和辅助因子
N2+3H2＝2NH3
固氮能量耗费大，而且会污染环境，因此大力 发展生物固氮对增加农作物氮肥来源有重大意义。
生物固氮是在常温常压条件下，在生物体内由 酶催化进行。
目前国内外对生物固氮的生化过程及机理正在 积极开展研究，在了解了固氮机理之后，就可以人 工模拟，以节省能源，减少污染，开拓作物肥源。 可以通过基因工程使非固氮生物转化为固氮生物。
2.2 固氮生物的类型
目前已发现的固氮生物近 50 个属，包括细菌、 放线菌和蓝细菌，根据固氮微生物与高等植物和其 他生物的关系，可分为自生固氮微生物和共生固氮 微生物两类。
2.2.1 自生固氮微生物(diazatrophs)
自生固氮微生物是指独立生活时能使气态氮固定为 NH3的少数微生物。
固氮有两种方式： ①利用光能还原氮气。
1. 氮素循环 2. 生物固氮的生物化学 3. 硝酸还原作用 4. 氨的同化
1. 氮素循环
氮素是生物的必需元素之一。在生命活动中起 重要作用的化合物，如蛋白质、核酸、酶、某些激 素和维生素、叶绿素和血红素等均含有氮元素。因 此，在动、植物和微生物的生命活动中氮素起着极 其重要的作用，整个生物界在生长发育的全部过程 中都进行着氮素代谢。
如好气性固氮菌(Azotobacter)、贝氏固氮菌 (Bciierinckia)及厌气的巴斯德梭菌(Clostridium pasteurzanum)和克氏杆菌(Klebsiella)等。
2.2.2 共生固氮微生物
如与豆科植物共生固氮的根瘤菌 (Rhizobium) ， 其专一性强，不同的菌株只能感染一定的植物，形 成共生的根瘤。
固氮酶二亚基 S
Fe Fe-S ADP 还原酶二亚基 铁钼中心 Mo
固 的氮 可酶 能钼 结铁 合与 氮
①还原酶
还原酶也称铁蛋白，提供具有高还原势
的电子，它是由两个相同亚基组成的二聚体， 含有一个[Fe4S4]簇，每次可传递一个电子。
此外，还有2个ATP结合位点。
相对分子质量为64 000，也是一个铁硫蛋白，
生物固氮(biological nitrogen fixation)是微 生物、藻类和与高等植物共生的微生物通过自身 的固氮酶复合物把分子氮变成氨的过程。 自然界通过生物固氮的量可达每年 1011kg，约 占地球上的固氮量的 60 ％，闪电和紫外辐射固定 氮约15％，其余为工业固氮。
氮气中的N≡N键十分稳定，1910年Fritz Haber 提出的作用条件在工业氮肥生产中一直沿用至今。 500℃高温和 30MPa 条件下，用铁做催化剂使 H2 还 原N2成氨。
2.4 生物固氮所需的条件 固氮酶催化的反应需要满足： ①充分的ATP供应。豌豆根系固氮细菌消耗植 株ATP量的近1/5； ②需要很强的还原剂。高还原势电子来自Fdred， 其是光合链的电子载体。 Fd的再生或来自光 合作用，或来自氧化过程；
③需要厌氧环境，因氮酶对氧十分敏感，只有 在严格的厌氧条件下才能固氮。因此，对好 气细菌来说必须有严格的防氧机制以使酶不 被氧伤害。 在豆科植物根瘤中，豆血红蛋白起着降低氧浓 度以保护固氮酶的作用。
N2+6e+6H+=2NH3
在N2还原过程中还形成H2，因此，N2固定过程的反应 为：
N2+8 e+8H+→NH3+H2
8个高能电子来自Fdred（还原态铁氧还蛋白），Fdred的
电子来自PSI或呼吸电子传递链。
固氮作用的可能过程
一般认为固氮过程可分为三个步骤，每一步都有二个 电子被转移，而且二亚胺和肼可能是维持与酶结合的 反应中间物：
如鱼腥藻(Anabaena)、念球藻(Nostoc)，固氮过程与还原 CO2类似。
大多数固氮蓝藻
另一些微生物如红螺菌(Rhodospirillum)、红色极
毛杆菌(Rhodopseudomonas)、绿杆菌
(Chloroblium)等也能利用光能从硫、硫化物、氢 或有机物取得电子进行固氮。
②利用化学能固氮
N=N [HN=NH H2N-NH2 ]2NH3
分子氮
2e-,2H+
二亚胺
2e-,2H+
肼
2e-,2H+
氮
N2+8e-+8H++16ATP 2NH3+H2+16ADP+16Pi
生物固氮的总反应为： N2+8e+16ATP+16H2O+8H+→2NH3+H2+
16ADP+16Pi 由反应式可见固氮过程消耗能量非常多，共有 16个ATP被水解。