氮的固定.ppt

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,氮的固定,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,从组囊藻属(Anacystis)分离出的硝酸还原酶是一种含钼的蛋白质，只有一条多肽链，相对分子质量为75000，不含黄素蛋白和细胞色素。,氢的氧化不但提供了能量，而且由于消耗了O2，保护了固氮酶。,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)。,N2+3H22NH3,这一还原过程是在硝酸还原酶和亚硝酸还原酶的催化下分步进行的。,光照对亚硝酸还原有促进作用，可能与照光时生成还原态的铁氧还蛋白有关。,N2+6e+6H+=2NH3,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：,从高等植物和绿藻中分离出的亚硝酸还原酶是一条多肽链，相对分子质量约为60 00070 000，它的辅基是一种铁卟啉的衍生物，分子中还有一个Fe4S4中心，起电子传递作用。,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。,亚硝酸还原时需要氧，因而在厌氧条件下，亚硝酸的还原会受到阻碍。,N2+3H22NH3,N2+6e+6H+=2NH3,氢的氧化不但提供了能量，而且由于消耗了O2，保护了固氮酶。,可逆性氢酶既可催化氢的电子传给Fd，作为还原氮的电子供体，又可催化H+接受Fdred的电子形成氢，以消除过剩的还原力，保证细胞生理活动的正常进行。,3 硝酸还原酶是诱导酶,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：,氮素是生物的必需元素之一。,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。,高还原势电子来自Fdred，其是光合链的电子载体。,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。,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，相对分子质量为64 000，也是一个铁硫蛋白，含有一个Fe4S4簇，每次可传递一个电子。,生物固氮过程由固氮酶复合物完成。,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。,结合在铁卟啉衍生物辅基上的亚硝酸离子，可直接被还原型铁氧还蛋白还原成氨。,这类硝酸还原酶以NADH或NADPH为电子供体，它存在于真菌、绿藻和高等植物中。,氢的氧化不但提供了能量，而且由于消耗了O2，保护了固氮酶。,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：,N2+3H22NH3,1.,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。,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,N,2,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,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,10,11,kg,，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,NN,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,H,2,还原,N,2,成氨。,N,2,+3H,2,2NH,3,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,NH,3,的少数微生物。,固氮有两种方式：,利用光能还原氮气。,如鱼腥藻,(Anabaena),、念球藻,(Nostoc),，固氮过程与还原,CO,2,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。,利用化学能固氮,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。,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,固氮酶的还原酶部分,固氮酶的固氮酶部分,固氮酶复合物的酶和辅助因子,铁钼中心,Mo,Fe,S,ADP,固氮酶二亚基,还原酶二亚基,Fe-S,固氮酶钼铁与氮的可能结合,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，相对分子质量为,64 000,，也是一个铁硫蛋白，含有一个,Fe,4,S,4,簇，每次可传递一个电子。此外，还有,2,个,ATP,结合位点。,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,N,2,成,NH,4,+,。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,N,2,到,NH,3,的还原过程需,6,个电子：,N,2,+6e,+6H,+,=2NH,3,在,N,2,还原过程中还形成,H,2,，因此，,N,2,固定过程的反应为：,N,2,+8 e,+8H,+,NH,3,+H,2,8,个高能电子来自,Fd,red,（还原态铁氧还蛋白）,，,Fd,red,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：,N=N,H,N=NH,H,2,N-NH,2,2NH,3,分子氮,二亚胺 肼,氮,N,2,+8e,-,+8H,+,+16ATP,2NH,3,+H,2,+16ADP+16Pi,2e,-,2H,+,2e,-,2H,+,2e,-,2H,+,生物固氮的总反应为：,N,2,+8e,+16ATP+16H,2,O+8H,+,2NH,3,+H,2,+,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。,2.4,生物固氮所需的条件,固氮酶催化的反应需要满足：,充分的,ATP,供应。,豌豆根系固氮细菌消耗植株,ATP,量的近,1/5,；,需要很强的还原剂。,高还原势电子来自,Fd,red,，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；,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。,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,O,2,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：,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,H,2,，反应需要,ATP,，,CO,不能抑制。,N,2,+8e,+16ATP+16H,2,O+8H,+,2NH,3,+H,2,+,16ADP+16Pi,氢酶的放氢反应,许多固氮生物均含有氢酶。氢酶也是一种铁硫蛋白，从巴斯德梭菌分离出的氢酶含有,4,个铁原子和,4,个硫原子，相对分子质量,60000,，氢酶催化可逆反应：,2Fd,red,+2H,+,=2Fd,ox,+H,2,可逆性氢酶既可催化氢的电子传给,Fd,，作为还原氮的电子供体，又可催化,H,+,接受,Fd,red,的电子形成氢，以消除过剩的还原力，保证细胞生理活动的正常进行。反应不需,ATP,，但受,CO,抑制。,吸氢酶催化,H,2,的氧化作用,吸氢酶能以,O,2,作为末端电子受体进行羟基化反应，产物为,H,2,O,，并伴有,ATP,生成，反应受,KCN,抑制。,氢的氧化不但,提供,了,能量,，而且由于,消耗,了,O,2,，保护了固氮酶。,同时由于固氮酶形成的,H,2,对其有抑制作用，吸氢酶的吸氢还可以,防止,对固氮酶的,抑制,作用。,3,硝酸还原作用,植物体所需要的氮素营养除了来自生物固氮外，绝大部分是来自土壤中的氮素，主要有硝酸盐,(NO,3,),，亚硝酸盐,(NO,2,),以及铵盐,(NH,4,+,),。它们通过根系进入植物细胞。植物,最易吸收硝态氮,。,硝态氮必须被还原为氨态氮。才能被植物体利用。,氮素由硝酸态氮转变成氨的过程称为代谢还原或成氨作用。,在成氨作用过程中，氮的化合价变化是：,植物体内由硝酸还原成氨的总反应式：,NO,3,+9H,+,+8e,NH,3,+3H,2,O,这一还原过程是在硝酸还原酶和亚硝酸还原酶的催化下分步进行的。,硝酸盐的还原，在植物的根和叶内都可以进行，但以叶内还原为主。在种子萌发的早期，或在缺氧条件下根部还原为主。,3.1,硝酸还原酶,硝酸还原酶的作用是把硝酸盐还原成亚硝酸盐。,硝酸还原酶广泛存在于高等植物、藻类、细菌和酵母中。在植物的绿色组织中该酶的活性较大。,根据还原反应中电子供体的不同可分为两个类型。,3.1.1 Fd-,硝酸还原酶,此类硝酸还原酶以铁氧还蛋白作为电子供体。还原过程可简单表示为：,NO,3,+2Fd,red,+2H,+,NO,2,+Fd,ox,+H,2,O,此酶存在于蓝绿藻、光合细菌和化能合成细菌中。从组囊藻属,(Anacystis),分离出的硝酸还原酶是一种含钼的蛋白质，只有一条多肽链，相对分子质量为,75000,，不含黄素蛋白和细胞色素。,3.1.2 NAD(P)H-,硝酸还原酶,这类硝酸还原酶以,NADH,或,NADPH,为电子供体，它存在于真菌、绿藻和高等植物中。,按其对电子供体的专一性要求又可区分为对,NADH,专一的、对,NAD(P)H,专一的以及对,NADH,和,NAD(P)H,都可利用的硝酸还原酶。,催化反应：,NO,3,+NAD(P)H+H,+,NO,2,+NAD(P),+,+H,2,O,NAD(P)H-,硝酸还原酶,为寡聚蛋白，所含亚基数因植物而异。它是以,FAD,、细胞色素,b,-,557,和钼为电子传递体。电子从,NAD(P)H,传递到,NO,3,。,3.1.3,硝酸还原酶是诱导酶,当将水稻幼苗培养在含硝酸盐的溶液中时，幼苗体内便诱导形成硝酸还原酶；若用不含硝酸盐的培养液时，则幼苗内不含硝酸还原酶。同样在土壤中增施硝酸盐氮肥时，往往测到作物体内硝酸还原酶的活性增高，作物蛋白质含量也随之而增加。,光照对硝酸还原酶活性有很大影响，酶活性随光照强度增大而升高，在遮荫或黑暗中则活性减小，原因在于光合产物的氧化为,NO,3,还原提供所需的,NADH,及还原型,Fd,。,3.2,亚硝酸还原酶,在植物细胞内，硝酸还原生成的亚硝酸在亚硝酸还原酶的催化下，进一步还原成氨：,NO,2,+7H,+,+6e,NH,3,+2H,2,O,从高等植物和绿藻中分离出的亚硝酸还原酶是一条多肽链，相对分子质量约为,60 000,70 000,，它的辅基是一种铁卟啉的衍生物，分子中还有一个,Fe,4,S,4,中心，起电子传递作用。,亚硝酸还原酶,存在于绿色组织的叶绿体中，它的直接电子供体是铁氧还蛋白。光合作用的非环式光合磷酸化可为亚硝酸还原酶提供还原态的铁氧还蛋白。结合在铁卟啉衍生物辅基上的亚硝酸离子，可直接被还原型铁氧还蛋白还原成氨。,在铁氧还蛋白,-NADPH,还原酶的作用下，也可将氧化态的铁氧还蛋白转变为还原型。,光照对亚硝酸还原有促进作用，可能与照光时生成还原态的铁氧还蛋白有关。,当植物缺铁时，亚硝酸的还原即受阻，可能与铁氧还蛋白及铁卟啉衍生物的合成减少有关。亚硝酸还原时需要氧，因而在厌氧条件下，亚硝酸的还原会受到阻碍。,4,氨的同化,(,不讲,),4.1,谷氨酸合成,在氮素循环中，生物固氮和硝酸盐还原形成了无机态,NH,3,，进一步,NH,3,便被同化转变成含氮有机化合物。,所有,生物都通过,谷氨酸脱氢酶,(glutamate dehydrogenase),或,谷氨酰胺合成酶,(glutamin synthetase),催化形成谷氨酸和谷氨酰胺的方式同化氨。,谷氨酸和谷氨酰胺中的氮可通过进一步生化反应形成其他有机含氮化合物，因此谷氨酸和谷氨酰胺在氮素合成代谢中起,关键,作用。,4.1.1,谷氨酰胺合成酶,谷氨酰胺合成酶催化谷氨酸和氨反应形成谷氨酰胺，此酶对,NH,3,有高亲和性，完成反应还需,ATP,水解提供的能量。,形成谷氨酰胺既是氨同化的一种方式，又可消除过高氨浓度带来的毒害，还可作为氨的供体，用于谷氨酸的合成。,-,酮戊二酸来源于,TCA,的中间产物，还原剂为,NADPH,或还原态铁氧还蛋白。催化此反应的酶为谷氨酸合酶,(glutamate synthase),，与合成酶,(synthetase),不同的是，它不需要,ATP,。,在谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶的共同作用下，可由,1,分子氨和,1,分子,-,酮戊二酸净合成,1,分子谷氨酸。,谷氨酸脱氢酶,谷氨酸还可在谷氨酸脱氢酶,(glutamate dehydrogenase),催化下，使,-,酮戊二酸通过还原性氨基化形成。,谢谢观看,谢谢观看,