微生物的固氮作用.ppt

氮是组成生物细胞必不可少的重要元素之一。氮气(N2)约占空气总体积的78%，但由于N N三键非常稳定，故N2不能被高等生物和大多数微生物利用，只有少数原核微生物能直接 利用N2作氮源，将其还原成氨，供植物和其他微生物利用。 固氮微生物利用固氮酶的催化 作用将分子态氮转化为氨的过程称为生物固氮。生物固氮是地球上仅次于光合作用的第二大生物化学反应。生物每年在温和条件下的固氮量约为高温高压(300300个大气压)条件下工业固氮量的2倍多，约为1亿吨，故生物固氮对地球生态系统中的氮素循环和生物的生息繁衍具有十分重要的作用。,微生物的固氮作用,自1886年M.W.Beijerinck分离到能共生固氮的根瘤菌后，人们共发现了50多属100多种生物有固氮能力，这些生物均为原核生物。 按其固氮方式可分为3种类型： 能独立固氮的微生物称为自生固氮菌； 必须与其他生物共生才能固氮的微生物称为 共生固氮菌； 必须生活在植物根际、叶面或肠道等处才能固氮的微生物称为联合固氮菌。,1.固氮微生物的种类,化能异养型 好养型 化能自养型 光能自养型 微好养型 ：化能自养型 化能异养型 自生固氮菌 兼性厌氧型 光能异养型 化能异养型 严格厌氧型： 光能异养型,化能异养： 固氮菌属(Azotobacter) 拜叶林克氏菌属(Beijerinckia) 固氮单胞菌属(Azomonas) 固氮球菌属(Azococcus) 德克斯氏菌属(Derxia) 黄色分枝杆菌(Mycobacterium flavum) 产脂螺菌(Spirillum lipoferum) 甲烷氧化菌等,化能自养： 氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferroxidans 光能自养： 念珠蓝菌属(Nostoc) 鱼腥蓝菌属(Anabaena) 着色菌属(Chromatium) 绿假单胞菌属(Ch loropseudomonas) 微好氧 (化能异养)： 棒杆菌属(Corymebact erium) 固氮螺菌属(Azospirillum),兼性厌氧化能异养： 克雷伯氏菌属(Klebsiella) 无色杆 菌属(Achromobacter) 多粘芽孢杆菌(Bacillus polymyxa) 柠檬酸杆菌属(Cit robacter) 欧文氏菌属(Erwinia) 肠杆菌属(Enterobacter) 光能异养： 红螺 菌属(Rhodospirillum) 红假单胞菌属(Rhodopseudomonas) 厌氧化能异养： 巴氏梭菌(Clostridium pasteurianum) 脱硫弧菌属(Desulforibrio) 脱硫肠状菌属(Desulfotomaculum),共生固氮菌 根瘤豆科植物： 根瘤菌属(Rhizobium) 非豆科植物： 弗兰克氏菌属放线菌(Frankia) 白蚁等动物肠道： 肠杆菌属(Enterobacter) 植物地衣： 念珠蓝菌属(Nostoc) 鱼腥蓝菌属(Anabaena) (单歧蓝菌属) 等(Tolypothrix) 满江红： 满江红鱼腥蓝菌(Anabaena azollae) 苏铁珊瑚根： Nostoc,A nabaena 肯乃拉草： Nostoc,根瘤菌,联合固氮菌 根际温带： Bacillus，Klebsiella 热带： 雀稗固氮菌(Azotobacter paspali)，Azospirillum,Beijerinckia 叶面： Beijerinckia, Azoto bacter,固氮酶：生物固氮反应的核心。 1960年，J.E.Carnahan从巴氏梭菌(Clost ridium pasteurianum)中获得了具有固氮活性的无细胞抽提液，实现了分子氮还原为NH3 的实验。 1966年，L.Mortenson从巴氏梭菌(C.Pasteurianum)和维涅兰德固氮菌(Azotobacte r vinelandii)的无细胞抽提液中，分离出两种固氮蛋白钼铁蛋白和铁蛋白，使固氮研究进入分子水平。,2.固氮的生化机制,固氮酶的、两种组分 项目 组分 钼铁蛋白 组分 铁蛋白 蛋白质亚基数 4(2大2小) 2(相同) 分子量 22万左右 六万左右 Fe原子数 30(2432) 4 不稳态S原子数 28(2032) 4 Mo原子数 2 0 Cys的SH基数 3234 12 活性中心 铁钼辅因子(FeMoCo) 电子活化中心(Fe4S4) 功能 络合、活化和还原N2 传递电子到组分上,固氮反应的必要条件： 大量ATP 还原力NAD(P)H2 固氮酶 N2 Mg2+ 严格的厌氧微环境 固定1mol N2需要消耗1015molATP 。这些ATP由呼吸、发酵或光合磷酸化过程提供。从不同生理类型的固氮微生物细胞中抽提到的固氮酶具有相同结构，它们均含、两种组分。组分为钼铁蛋白(MF)或钼铁氧还蛋白(MoFd)，是真正的“固氮酶”；组分为铁蛋白(F)，是固氮酶还原酶。,固氮的生化途径 固氮总反应式为： N2 + 6e + 6H+ + 12ATP 2NH3 + 12ADP + 12Pi N2分子经固氮酶催化还原为NH3，再通过转氨途径形成各种氨基酸。固氮酶除具有固氮功能外，还能催化2H+ H2。在缺N2条件下，固氮酶可将H+全部还原为H2；在有N2条件下，固氮酶将75%的NAD(P)H2用于N2的还原，另外25%的NAD(P)H2形