生物固氮作用

生物学术语

生物固氮作用，是指大气中的分子态氮在微生物（固氮生物）体内由固氮酶催化还原为氨的过程。是土壤氮素的重要来源之一。按固氮微生物的特性和它们与其他生物的关系，一般分为共生固氮、自生固氮和联合固氮三种类型。共生固氮主要指豆科植物-根瘤菌体系，其他还有非豆科植物-放线菌固氮体系以及萍-蓝固氮体系。自生固氮指不需要同其他生物共生就能独立进行固氮的一类微生物，如固氮细菌和固氮蓝藻，包括自生自养固氮作用和自生异养固氮作用。联合固氮体系是由有固氮能力的细菌集聚于植物的根系周围甚至部分进入根细胞，细菌利用根系分泌物，植物利用细菌固定氮素，形成一个比共生固氮松散的联合体，在玉米、甘蔗、小麦、水稻、高粱上都已确认联合固氮体系的存在。生物固氮作用在中性或微碱性环境中能顺利进行，磷肥对共生固氮有促进作用。共生固氮作用最为重要，自生固氮作用一般不强。

固氮反应条件

尽管能固氮的微生物多种多样，但各类固氮微生物进行固氮的基本反应式相同，即

N2+6e-+6H++nATP→2NH3+nADP+nPi

此反应很清楚地表明要进行固氮，必须满足以下基本条件：

（1）必须有具固氮活性的固氮酶。

（2）必须有电子和质子供体，每还原1分子N2需要6个电子和6个质子，另有2个质子和电子用于生成H2。还需有相应的电子传递链传递电子和质子。

（3）必须有能量供给，由于N2分子具有键能很高的三价键，因此需要很大的能量才能打开。

（4）有严格的无氧环境或保护固氮酶的免氧失活机制，因为固氮酶对氧具有高度敏感性，遇氧即失活。

（5）形成的氨必须及时转运或转化排除，否则会产生氨的反馈阻抑效应。

固氮酶

结构组成

尽管自然界中固氮微生物多种多样，但固氮微生物所含固氮酶组成大致相似，都是由两个亚单位（即组分IMoFe蛋白、组分IIFe蛋白）和一个辅因子（FeMoco）组成。已知自然界中存在三套含有不同金属的固氮酶，即在环境中无Mo时可被V代替，但多数固氮微生物所含的是钼铁蛋白固氮酶，而且以钼铁蛋白固氮酶的固氮效率为最高。来自不同固氮微生物固氮酶的两个亚基之间可以进行互补，组成的固氮酶仍然具有固氮活性，但这种活性比各自原始的固氮酶活性要低。

催化特征

固氮酶除了能催化N2还原为NH3外，还可催化还原下列物质：催化C2H2为C2H4，H+为H2，N3-为NH3和N2，催化N2O为N2和H2O，等等。可见，固氮酶是一个十分活跃、基质谱相当广的酶。但在所有能催化的基质中，以催化N2为NH3的反应效率最高。

固氮酶还原乙炔成为乙烯的作用被用来间接测量固氮酶的活性。

催化机理

在固氮过程中，由呼吸作用、发酵光合作用过程中产生的电子和质子首先还原NAD或NADP成为NADH或NADpH，由还原态的NADH或NADpH还原Fd或Fld，再还原固氮酶组分Ⅱ即铁蛋白，由还原态的铁蛋白还原固氮酶组分Ⅰ即MoFe蛋白，还原态的MoFe蛋白还原N2和其他各种底物。固氮酶合成、催化和酶活性调控的分子生物学研究已经相当深入，固氮酶合成的各个基因结构及其功能已大多清楚。固氮酶nif基因簇表达在有氧和高浓度有效氮素因素下的调控机理也已阐明。

影响效率因素

（1）氧对固氮酶的影响

固氮酶对氧气敏感，从好氧固氮菌体内分离的固氮酶，一遇氧就发生不可逆性失活。固氮酶对氧气敏感，从好氧固氮菌体内分离的固氮酶，一遇氧就发生了不可逆失活。好氧固氮菌生长需要氧，固氮却不需要氧。好氧固氮菌为了生长过程中同时固氮，它们在长期的进化中形成了保护固氮酶的防氧机制，使固氮作用正常进行。

（2）固氮作用中的氨效应

氨是固氮作用的产物，但氨的数量超过了固氮微生物机体本身的需要并迅速转换为氨基酸的能力较低时，积累的氨既抑制固氮酶活性，也阻遏体内固氮酶的生物合成。在缺乏NH4+的环境里，谷氨酰胺合成酶能与固氮启动基因组合，推动RNA聚合酶催化转录mRNA，合成固氮酶。但在有丰富NH4+的环境中，谷氨酰胺合成酶被腺苷化，构象发生变化，失去与固氮酶启动基因区结合的能力，导致固氮酶不能合成。因此在培养固氮菌时如加入铵盐，则固氮菌不进行固氮而依赖铵盐生长。

（3）ADP/ATP比率对固氮酶活性的调节

在Mg2+和ATP参与的情况下，固氮酶能催化N2为NH3，这是固氮酶活性不可缺少的成分和正效应剂。Mg·ATP的水解产物是Mg·ADP，但两者的作用完全相反，Mg·ADP是固氮酶的负效应剂，对固氮酶的产物还原活性部位起负的别构调节作用。它可以抑制从铁蛋白到钼铁蛋白的电子转移，并控制进入铁蛋白的电子总量，因而能有效地抑制固氮酶活性。因此细胞内ADP/ATP的比率可以调节固氮酶活性。

（4）环境中的C/N的影响

土壤中C/N是影响固氮作用的最重要的因素之一。化能异养型固氮微生物只有在环境中有丰富的有机碳化合物而同时又缺少化合态时才能进行有效固氮。如果环境中化合态氮十分丰富，固氮微生物利用现成的氮化物作氮源，而固氮酶被化合态氮抑制，不显示固氮活性。另外，非固微生物由于氮源丰富而易于发展，因此与固氮微生物竞争碳源。因此只有在C/N比很高的环境中，这类化能异养型固氮微生物才会发挥固氮作用。

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