生物固氮

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
根际：固氮螺菌属、克雷伯菌属
联合固氮菌
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＋＋18~24ATP
II. 好气性自生固氮菌的防氧保护机制
呼吸保护作用 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。 构象保护作用 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。
•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
B.性质
一、 固N酶的特性
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；
低Eh（-490mv）条件下进行固N作用。
③具底物的多样性，除能将分子态N还原为氨外，还
HC≡CH→H2C=CH2 能催化许多底物的还原。 + H →H2 N2O→N2
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。
二、固N酶催化反应的条件
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
• 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）
（五）生物固氮研究前景
• 固氮基因工程：
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。
• Thank you for you attention
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。
固 N酶 2NH3＋H2＋18~24(ADP＋Pi) 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
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
H+和N2在固氮酶上的结合位点相同； 原因： 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： 固N酶
2H+
H2 H2 吸氢酶 2H+＋2e－ O2
（2）氧的抑制
A.氧的敏感性
3. 固N酶催化反应的抑制
原因： 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。
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N酶催化反应的抑制
（3）固氮作用中的氨效应及其调节 氨效应
（3）固氮作用中的氨效应及其调节
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NH3 95％ 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。
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
（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。与百度文库生固氮菌相比，共生固氮菌有 更高的固氮效率
常见共生体
★根瘤菌与豆科植物； 根瘤共生体 ★弗兰克氏菌属（放线菌） 与非豆科植物（木麻黄，杨 梅，沙枣） 地衣共生体 苔藓共生体
（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
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
一、固氮微生物
固氮微生物和固N体系
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
固氮菌属、产碱菌属 专性好气 固氮单胞菌属 鱼腥藻属
梭菌属、着色菌属、脱硫弧菌属 专性厌气 绿假单胞菌属（绿色硫杆菌） 克雷伯菌属 兼性厌气 红螺菌属、红假单胞菌属
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。
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。
（1）ATP的来源 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
二、固N酶催化反应的条件
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）电子的来源：由电子供体提供