生物固氮原理

多小分子底物作用,没有严格的专一性。 多小分子底物作用,没有严格的专一性。
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 固氮酶由各种固氮微生物分离出来 由各种固氮微生物分离出来,
按 物 分
按 生 物 分 类 学 分
共生固氮微生物
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
自生固氮微生物
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。 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。
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。
ATP
ADP+Pi
N2
乙炔 e-+H+ 固氮酶 乙烯
NH3
固氮作用的总反应可用简式表示：
固氮酶！！
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 蛋白充当强还原剂。
FeN N-Fe Fe N Fe
♦ 固氮酶的作用机理小结: 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 电子的传递、 分子的键合、催化和还 原等。
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 进行根瘤菌拌种， 作物产量
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 和微生物自发进行的， 能源和设备，因而它减少了能源的消 能源和设备， 耗。由于全部固氮过程都是生物活动， 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。 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 同时， 投入，使农产品中硝酸和亚硝酸物质 投入， 大幅度降低，提高了农产品的品质， 大幅度降低，提高了农产品的品质， 减少致癌物质对人类的危害。 减少致癌物质对人类的危害。
1.电子的传递 研究表明，在固氮酶催化N 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： 的还原反应中，电子传递顺序为：
（ 活体内 ） 铁 氧还蛋白 或黄素蛋白 （活体外）Na2S2O4 活体外）
}→
铁蛋白
MgATP 钼铁蛋白→底物 钼铁蛋白 底物
2.底物的结合和还原 MoFeP辅基是底物结合的部位 辅基是底物结合的部位， 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， 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 但也有其他观点：一种认为N 的。但也有其他观点：一种认为N2分子通 过铁钼辅基中存在的Fe Fe键形成Fe—N Fe—Fe键形成Fe 过铁钼辅基中存在的Fe Fe键形成Fe N键 而与铁钼蛋白结合； 而与铁钼蛋白结合；也有人认为以另一种 方式结合。 方式结合。 N2与铁钼辅基结合方式目前仍是一个未解 决的问题。 决的问题。 N
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 固氮酶来源于多种固氮微生物,
气中的N 还原为NH 气中的N2还原为NH3,
N2+8H+ + 8e- + 16MgATP→ 2NH3 + H2 + 16MgADP + 16Pi
(无机磷酸盐) 无机磷酸盐)
♦ 除催化N2还原为NH3外,固氮酶还能和许 还原为NH
由钼铁蛋白和铁蛋白组成。 1993年才基 钼铁蛋白和铁蛋白组成。 1993年才基 组成 本确定
♦ 功能: 铁蛋白是依赖于ATP供给能量的电 功能: 铁蛋白是依赖于ATP供给能量的电 是依赖于ATP
子传递体,把电子传递给钼铁蛋白 钼铁蛋白, 子传递体,把电子传递给钼铁蛋白,钼铁蛋 结合底物（ 分子并催化其还原。 白结合底物（N2）分子并催化其还原。
胡吉利 齐永峰 吕胜满 董申申
自然界中的N循环
大气中的N 大气中的N2
尿素及动植 物遗体 土壤中的微生物
NO
3
NO3
-
氮素化肥
NH3
固 氮
工业固氮: 工业固氮: N2
工厂
NH3
闪电等 NH 3 高能固氮: 高能固氮: N2 生物固氮: 生物固氮: N2
固氮微生物
NH3
固 氮 微 生 物 的 种 类
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。
生物固氮(nitrogen fixation )
定义： 分子态氮在生物体内还原为氨的过程 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
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 固氮酶中铁蛋白的作用是传递电子 中铁蛋白的作用是传递电子,
蛋白与底物结合并还原N 的催化部位, 蛋白与底物结合并还原N2的催化部位,即 与底物结合并还原 N2只有与钼铁蛋白结合、方可被催化还 只有与钼铁蛋白结合、 钼铁蛋白结合 原为NH 原为NH3。 ♦ 固氮酶的作用机理包括: 固氮酶的作用机理包括: 电子的传递、 分子的键合、 电子的传递、N2分子的键合、催化和还 原等。 原等。
♦ 前景
设想： 设想：将固氮基因转移到非豆科作物 细胞内， 细胞内，使其自行固氮
谢 谢！