[自然科学]氮素的地球循环.ppt

氮素的地球循环 课题组成员 CompanyLogo 氮素的地球循环 总体上来讲 地球氮循环的主要环节包括 大气中的氮气可通过三条途径被 固定 生物群落中的氮素传递 是以有机氮形式通过生物的同化作用实现的 动植物遗体 排出物 如尿素等 残落物中的有机氮 通过微生物的氨化作用及硝化作用转变成为植物再度利用的形式 在氧气不足的条件下 土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐 并且进一步还原成分子态氮 分子态氮则返回到大气中 CompanyLogo Contents 在此氮素流动过程的基础上结合不同生物类别的不同角色 并且结合环境工程专业的应用来综合考虑 可以从以下四个方面介绍 CompanyLogo 固氮作用 含氮化合物 自然界中的氮素主要以分子氮的形式存在 分子氮 N2 在大气中的含量很丰富 约占78 V N2 V 空气 但绝大多数生物无法直接利用 只有当游离氮被 固定 成为含氮化合物后才能被这些生物吸收利用 使氮成为活细胞的一部分并进入生态系统中的食物链 CompanyLogo 固氮 CompanyLogo 天然固氮 大自然中的一些自然现象也为固氮作用提供了条件 雷雨天气的闪电 通过电离作用 使大气中的氮氧化成硝酸盐 硝酸盐由雨水带入土壤 研究表明 一次闪电能够产生80 1500kg的一氧化氮 另外 当火山喷发时喷射出的岩浆 由于处于高温条件下也可以固定大气中部分的氮 CompanyLogo 人工固氮 工业上通常用H2和N2在催化剂 高温 高压下合成氨 卢嘉锡 合成氨主要消费部门为化肥工业高分子化工 火炸药工业目前 合成氨年总消费量 以N计 约为78 2Mt 其中工业用氨量约为10Mt 约占总氨消费量的12 CompanyLogo 生物固氮 生物固氮 即分子态氮在生物体内还原为氨的过程 大气中90 以上的分子态氮都是通过固氮微生物的作用被还原为氨的 生物固氮是固氮微生物的一种特殊的生理功能 已知具固氮作用的微生约近50个属 包括细菌 放线菌和蓝细菌 即蓝藻 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 细菌 放线菌 蓝细菌 固氮酶 CompanyLogo 生物固氮 另外根据固氮微生物与高等植物的关系 可分为自生固氮菌 共生固氮菌以及联合固氮菌 其所进行的固氮作用分别称为自生固氮 共生固氮或联合固氮 共生固氮菌 自生固氮菌 克雷伯氏菌属联合固氮菌 CompanyLogo 固氮酶 还原分子氮成为氨的作用是由双组分固氮酶 dnitroRenase 复合体催化的 其中一种组分为固氮酶 经测定含有铁 Fe 和钼 Mo 因此一般认为不同固氮微生物的固氮酶均由钼铁蛋白和铁蛋白组成 另外一种组分为固氮酶还原酶 经测定只含有铁 Fe 而没有钼 特别指明的是固氮酶对氧极其敏感 所以固氮需要有严格厌氧的微环境 另外 固氮时还需要有Mg2 的存在 应该指出 固氮酶对N2不是专一的 它也可还原其他一些化合物 如C2H2 C2H4 2H N20 N2十H20 HCN CH4十NH3十 CH3NH2 特别是其中还原乙炔的反应 灵敏度高 测定简便 只要将样品 可以是土壤 水 培养物或细胞提取物 与乙炔一起保温 然后用气相色谱分析所产生的乙烯就可测知酶活力 所以乙炔还原法成了当今固氮研究中测定纯酶制剂固氮活力和天然固氮系统固氮活力的一种常规方法 CompanyLogo 固氮反应 固氮是还原分子氮的过程 所以需要消耗大量的能量和还原力 固氮所需要的能量是以ATP形成供应的 固定1mol分子氮需耗费18 24nol l的ATP 还原力 H 以还原型吡啶核苷酸 NAD P H H 或者铁氧还蛋白 Fd 2H 的形式提供 能量与还原力由有氧呼吸 无氧呼吸 发酵或光合作用提供 固氮作用过程十分复杂 目前还不完全清楚 各种固氮微生物进行固氮作用的总反应可以用下式表示 CompanyLogo 固氮过程 目前一般认为可以把固氮分为以下两个阶段 固氮酶的形成 还原型吡啶核苷酸的电子经载体黄素氧还蛋白传递到组分Fe 蛋白的铁原子上形成还原型Fe 蛋白 它先与ATP Mg结合生成变构的Fe 蛋白 Mg ATP复合物 然后再与此时已与Fe Mo蛋白 氧化型 一起形成1 1的复合物 固氮酶 固氮阶段 固氮酶分子的一个电子从Fe 蛋白 Mg ATP复合物转移到组分Fe Mo蛋白的铁原子上 电子转移给钼结合的活化分子氮 通过6次这样的电子转移 将1分子氮还原成2分子NH3 Fe 蛋白 Mg ATP复合物转移掉电子以后恢复成其氧化型 同时ATP水解成为ADP十Pi 实际上 在1分子氮还原形成2分子NH3的过程中有8个电子转移 其中的2个电子以氢气的形式用去 但其原因尚不清楚 不过有证据表明 H2的产生是固氮酶反应机制中一个不可分割的组成部分 CompanyLogo 生物固氮研究的进展 人类对生物固氮研究已有一百多年 我国对生物的互利共生固氮现象也进行了长达六十余年的探索性研究 通过生物技术改造固氮微生物和现有的农作物 使生物固氮工程的研究已经进入一个新的历史阶段 扩大生物间互利共生固氮范围和将豆科植物的固氮能力转移到非豆科植物中的研究已呈现出希望之光 将逐步实现禾本科农作物与固氮微生物共生结瘤固氮的美好愿望 当前在生物固氮研究中的重大突破是已经能将固氮基因插入到非豆科植物例如谷物中以及大肠杆菌中 可以预料 将固氨酶系统的DNA转移到高等植物中显然会遇到更复杂的问题 但随着基因工程知识的增长 将会得到最终的解决 如果将固氮酶移植到叶绿体当中 那么一株植物就能够在进行光合作用的同时进行生物固氮 这样 人类能够利用的资源总量将会有极大的飞跃 这对于即将出现 能源危机 的人类来讲具有极大的现实意义 CompanyLogo Contents 在此氮素流动过程的基础上结合不同生物类别的不同角色 并且结合环境工程专业的应用来综合考虑 可以从以下四个方面介绍 CompanyLogo 氮素在动植物体内的动态变化 CompanyLogo 氮素在动植物体内的动态变化 CompanyLogo 氨基酸的生物合成 氨基酸 碳骨架 甘油酸 3 磷酸衍生类型 稀醇丙酮酸衍生类型 植物 微生物 丙酮酸衍生类型 草酰乙酸衍生类型 谷氨酸衍生类型 CompanyLogo 谷氨酸的生物合成 酮戊二酸与游离氨经L 谷氨酸脱氢酶的催化作用形成谷氨酸 谷氨酸脱氢酶催化时是以NAD NADH作为辅酶 该酶的催化反应是可逆的 但有利于氧化脱氨基反应由于该酶对氨的高敏感性 它催化合成谷氨酸的能力在不同生物体中是不同的 事实上随着研究深入 人们发现植物 微生物的谷氨酸并非来源于游离氨 而来源于谷氨酰胺的酰胺基 CompanyLogo 谷氨酸 谷氨酰胺的生物合成 谷氨酸在谷氨酰胺合成酶的催化下形成谷氨酰胺 前述的 酮戊二酸直接与氨由谷氨酸脱氢酶合成谷氨酸的途径在自然界中并不普遍 只有少数生物当环境中的NH4 离子浓度很高时 才以此途径形成谷氨酸 最普遍的合成谷氨酸的途径其实是由谷氨酸合酶催化的 酮戊二酸接受L 谷氨酰胺的酰胺基形成谷氨酸反应 在这个反应中实际形成了两个谷氨酸分子 谷氨酰胺是许多生物合成反应的氨基供体 同时也是体内NH2的贮存形式 谷氨酰胺合成酶位于体内氨代谢的中枢位置 实事上 此酶由 酮戊二酸激活 此种调控作用有利于防止谷氨酸氧化脱氨造成体内氨的堆积 CompanyLogo 氨基酸的代谢 食物蛋白经过消化吸收后 以氨基酸的形式通过血液循环运到全身的各组织 这种来源的氨基酸称为外源性基酸 机体各组织的蛋白质在组织酶的作用下 也不断地分解成为氨基酸 机体还能合成部分氨基酸 非必需氨基酸 这两种来源的氨基酸称为内源性氨基酸 外源性氨基酸和内源性氨基酸彼此之间没有区别 共同构成了机体的氨基酸代谢库 metabolicpool 氨基酸代谢库通常以游离氨基酸总量计算 机体没有专一的组织器官储存氨基酸 氨基酸代谢库实际上包括细胞内液 细胞间液和血液中的氨基酸 氨基酸的主要功能是合成蛋白质 也合成多肽及其他含氮的生理活性物质 除了维生素之外 维生素PP是个例外 体内的各种含氮物质几种都可由氨基酸转变而成 包括蛋白质 肽类激素 氨基酸衍生物 黑色素 嘌呤碱 嘧啶碱 肌酸 胺类 辅酶或辅基等 CompanyLogo 脱氨基作用 氧化脱氨基作用 氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成相应的 酮酸的过程称为氧化脱氨基作用 转氨基作用 一种 氨基酸的氨基可以转移到 酮酸上 从而生成相应的一分子 酮酸和一分子 氨基酸 这种作用称为转氨基作用 联合脱氨基作用 仅依靠单独的脱氢酶不能完成 而需要转氨基作用和氧化脱氨基作用配合进行的脱氨基作用称为联合脱氨基作用 CompanyLogo 氧化脱氨基作用 氧化脱氨基作用是指在酶的催化下氨基酸在氧化脱氢的同时脱去氨基的过程 以谷氨酸为例 谷氨酸在线粒体中由谷氨酸脱氢酶 glutamatedehydrogonase 催化氧化脱氨 谷氨酸脱氢酶系不需氧脱氢酶 以NAD 或NADP 作为辅酶 氧化反应通过谷氨酸 脱氢转给NAD P 形成 亚氨基戊二酸 再水解生成 酮戊二酸和氨 CompanyLogo 转氨基作用 转氨基作用 Transamination 指在转氨酶催化下将 氨基酸的氨基转给另一个 酮酸 生成相应的 酮酸和一种新的 氨基酸的过程 体内绝大多数氨基酸通过转氨基作用脱氨 参与蛋白质合成的20种 氨基酸中 除甘氨酸 赖氨酸 苏氨酸和脯氨酸不参加转氨基作用 其余均可由特异的转氨酶催化参加转氨基作用 转氨基作用最重要的氨基受体是 酮戊二酸 产生谷氨酸作为新生成氨基酸 生成的谷氨酸在酶的作用下进一步将氨基转给其他酮酸生成相应的氨基酸 进一步将谷氨酸中的氨基转给草酰乙酸 生成 酮戊二酸和天冬氨酸 转给丙酮酸 生成 酮戊二酸和丙氨酸 通过第二次转氨反应 再生出 酮戊二酸 CompanyLogo 转氨基作用机理 转氨基作用过程可分为两个阶段 一个氨基酸的氨基转到酶分子上 产生相应的酮酸和氨基化酶 NH2转给另一种酮酸 如 酮戊二酸 生成氨基酸 并释放出酶分子 CompanyLogo 转氨基作用机理 为传送NH2基因 转氨酶需其含醛基的辅酶 磷酸吡哆醛 pyridoxal 5 phosphate PLP 的参与 在转氨基过程中 辅酶PLP转变为磷酸吡哆胺 pyridoxamine 5 phosphate PMP PLP通过其醛基与酶分子中赖氨酸 氨基缩合形成Schiff碱而共价结合于酶分子中 EsmondSnell AlexandeBranstein和DavidMetgler等揭示转氨作用是一种兵乓机制 二阶段各分三步进行 如图所示 CompanyLogo 转氨基作用机理 第一阶段 氨基酸转变为酮酸 1 氨基酸的亲核性NH2基团作用于酶 PLPSchiff碱C原子 通过转亚氨基反应 transiminationortrans Schiffigation 形成一种氨基酸 PLPSchiff碱 同时使酶分子中赖氨酸的NH2基团复原 2 通过酶活性位点赖氨酸催化去除氨基酸 氢 并通过一共振稳定的中间产物在PLP第4位C原子上加质子 将氨基酸桺LPSchiff碱分子重排为一个 酮酸 PMPschiff碱 3 水解生成PMP和 酮酸 第二阶段 酮酸转变为氨基酸 为完成转氨反应循环 辅酶必需由PMP形式转变为E PLPSchiff形式 此过程亦包括三步 为上述反应的逆过程 1 PMP与一个 酮酸作用形成 酮酸 Schiff碱 2 分子重排 酮酸 PMPSchiff碱变为氨基酸 PLPSchiff碱 3 酶活性位点赖氨酸 NH2基团攻击氨基酸 PLPSchiff碱 通过转亚氨基生成有活性的酶 PLPSchiff碱 并释放出形成的新氨基酸 转氨基反应中 辅酶在PLP和PMP间转换 在反应中起着氨基载体的作用 氨基在 酮酸和 氨基酸之间转移 可见在转氨基反应中并无净NH3的生成 CompanyLogo 转氨基作用的生理意义 CompanyLogo 联合脱氨基作用 由L 谷氨酸脱氢酶和转氨酶联合催化的联合脱氨基作用 脱氨方式 嘌呤核苷酸循环 purinenucleotidecycle CompanyLogo 联合脱氨基作用 1 由L 谷氨酸脱氢酶和转氨酶联合催化的联合脱氨基作用 先在转氨酶催化下 将某种氨基酸的 氨基转移到 酮戊二酸上生成谷氨酸 然后 在L 谷氨酸脱氢酶作用下将谷氨酸氧化脱氨生成 酮戊二酸 而 酮戊二酸再继续参加转氨基作用 L 谷氨酸脱氢酶主要分布于肝 肾 脑等组织中 而 酮戊二酸参加的转氨基作用普遍存在于各组织中 所以此种联合脱氨主要在肝 肾 脑等组织中进行 联合脱氨反应是可逆的 因此也可称为联合加氨 CompanyLogo 联合脱氨基作用 2 嘌呤核苷酸循环 purinenucleotidecycle 骨骼肌和心肌组织中L 谷氨酸脱氢酶的活性很低 因而不能通过上述形式的联合脱氨反应脱氨 但骨骼肌和心肌中含丰富的腺苷酸脱氨酶 adenylatedeaminase 能催化腺苷酸加水 脱氨生成次黄嘌呤核苷酸 IMP 一种氨基酸经过两次转氨作用可将 氨基转移至草酰乙酸生成门冬氨酸 门冬氨酸又可将此氨基转移到次黄嘌呤核苷酸上生成腺嘌呤核苷酸 通过中间化合物腺苷酸代琥珀酸 其脱氨过程可用图4表示 NH2 CompanyLogo 联合脱氨基作用 目前认为嘌呤核苷酸循环是骨骼肌和心肌中氨基酸脱氨的主要方式 Johnlowenstein证明此嘌呤核苷酸循环在肌肉组织代谢中具有重要作用 肌肉活动增加时需要三羧酸循环增强以供能 而此过程需三羧酸循环中间产物增加 肌肉组织中缺乏能催化这种补偿反应的酶 肌肉组织则依赖此嘌呤核苷酸循环补充中间产物 草酰乙酸 研究表明肌肉组织中催化嘌呤核苷酸循环反应的三种酶的活性均比其它组织中高几倍 AMP脱氨酶遗传缺陷患者 肌腺嘌呤脱氨酶缺乏症 易疲劳 而且运运后常出现痛性痉挛 这种形式的联合脱氨是不可逆的 因而不能通过其逆过程合成非必需氨基酸 这一代谢途径不仅把氨基酸代谢与糖代谢 脂代谢联系起来 而且也把氨基酸代谢与核苷酸代谢联系起来 CompanyLogo 脱羧基作用 部分氨基酸可在氨基酸脱羧酶 decarboxylose 催化下进行脱羧基作用 decarboxylation 生成相应的胺 脱羧酶的辅酶为磷酸吡哆醛 从量上讲 脱羧基作用不是体内氨基酸分解主要方式 但可生成有重要生理功能的胺 CompanyLogo 氨基丁酸 GABA GABA由谷氨酸脱羧基生成 催化此反应的酶是谷氨酸脱羧酶 此酶在脑 肾组织中活性很高 所以脑中GABA含量较高 GABA是一种仅见于中枢神经系统的抑制性神经递质 对中枢神经元有普遍性抑制作用 在脊髓 作用于突触前神经末梢 减少兴奋性递质的释放 从而引起突触前抑制 在脑则引起突触后抑制 GABA可在GABA转氨酶 GABA T 作有下与 酮戊二酸反应生成琥珀酸半醛 succinicacidsemialdehyde 进而氧化生成琥珀酸 CompanyLogo 氨基丁酸 GABA 神经元胞体和突触的线粒体内含有大量的GABA转氨酶 由此就构成了GABA旁路 它能使 酮戊二酸经此旁路生成琥珀酸 活跃三羧酸循环 可为脑组织提供约20 的能量 谷氨酸具有兴奋作用 GABA有抑制作用 两者可共同调节神经系统的功能 临床上对于惊厥和妊娠呕吐的病人常常使用维生素B6治疗 其机理就在于提高脑组织内谷氨酸脱羧酶的活性 使GABA生成增多 增强中枢抑制作用 脑中TCA循环和GAB代谢旁路 CompanyLogo 组胺 组胺由组氨酸脱羧生成 组胺主要由肥大细胞产生并贮存 在乳腺 肺 肝 肌肉及胃粘膜中含量较高 组胺是一种强烈的血管舒张剂 并能增加毛细血管的通透性 可引起血压下降和局部水肿 组胺的释放与过敏反应症状密切相关 组胺可刺激胃蛋白酶和胃酸的分泌 所以常用它作胃分泌功能的研究 CompanyLogo 牛磺酸 体内牛磺酸主要由半胱氨酸脱羧生成 半胱氨酸先氧化生成磺酸丙氨酸 再由磺酸丙氨酸脱羧酶催化脱去羧基 生成牛磺酸 牛磺酸是结合胆汁酸的重要组成分 CompanyLogo 多巴胺 多巴胺 dopamine 是合成肾上腺素的前体物质 是下丘脑和脑垂体腺中的一种关键神经递质 中枢神经系统中多巴胺的浓度受精神因素的影响 多巴胺又名3 羟酪胺 儿茶酚乙胺 二羟基苯丙胺 它正式的化学名称为4 2 乙胺基 苯 1 2 二醇 CompanyLogo 多巴胺 人的脑中存在著数千亿个神经细胞 人所以能有七情六欲 控制四肢躯体灵活运动 都是由于脑部信息在它们之间传递无阻 然而 神经细胞与神经细胞之间存在间隙 就像两道山崖中的一道缝 讯息要跳过这道缝才能传递过去 这些神经细胞上突出的小山崖名叫 突触 synapse 当信息来到突触 它就会释放出能越过间隙的化学物质 把信息传递开去 这种化学物质名叫 递质 多巴胺就是其中一种递质 CompanyLogo 多巴胺与成瘾 2006年生命科学十大新闻评选中 多巴胺是戒烟的关键 引起了人们的重视 研究报告表明 一种阻断对于大脑 奖赏 系统十分关键的化学物质的药物似乎能够加重烟瘾 而另一种促进体内多巴胺含量的药物对烟瘾则有减轻作用 这一发现表明 仿效大脑中多巴胺的药物有助于吸烟者放弃这个坏习惯 研究者NicholasH Caskey博士解释说尼古丁能够刺激大脑某些与奖励机制有关的区域的多巴胺水平的升高 实验中分别让严重吸烟者服用 氟哌丁本 一种抑制多巴胺活性的镇静剂 溴麦角环肽 一种模仿多巴胺在大脑中作用的药物结果是服用溴麦角环肽和服用氟哌丁本吸烟者来比较 每天吸烟的量 喷烟次数和吸每根烟的速度都有明显减小 吸毒成瘾也与多巴胺有着很大的关系 可卡因就是通过专一性阻滞脑内多巴胺转运体而使人成瘾 CompanyLogo 多巴胺与帕金森氏病 帕金森病是中老年人中常见的中枢神经系统变性疾病 主要表现为患者动作缓慢 手脚或身体的其它部分震颤 身体失去柔软性 肌肉僵硬 它对患者生活能力的危害仅次于肿瘤 心脑血管疾病 从而被称为中老年人的 第三杀手 慢性癌症 最早系统描述该病的是英国的内科医生詹姆帕金森 当时统称为 震颤麻痹 后来人们发现该病患者除了震颤外 肌肉的力量并没有受损 认为称 麻痹 并不合适 所以将该病命名为 帕金森病 CompanyLogo 多巴胺与帕金森氏病 2000年阿尔维德 卡尔森等三人通过对多巴胺的研究获得了诺贝尔生理学或医学奖 此次获奖的原因是他发现了多巴胺这种重要的神经递质 他的研究成果使人们认识到帕金森症和精神分裂症的起因是由于病人的脑部缺乏多巴胺 并据此可以研制出治疗这种疾病的有效药物 造成帕金森病症根本原因是制造多巴胺的神经元的死亡 多巴胺是一种控制肌肉运动的化学物质 但是 究竟什么物质杀死了这些大脑细胞是一个让研究人员们困惑已久的问题 现在 一项令人激动的研究推测一个让人吃惊的凶手 多巴胺自身的一种形式可能辅助了神经元的退化 神经元的退化是对这种疾病的解释 CompanyLogo 尿素合成 根据动物实验 人们很早就确定了肝脏是尿素合成的主要器官 肾脏是尿素排泄的主要器官 1932年Krebs等人利用大鼠肝切片作体外实验 发现在供能的条件下 可由CO2和氨合成尿素 若在反应体系中加入少量的精氨酸 鸟氨酸或瓜氨酸可加速尿素的合成 而这种氨基酸的含量并不减少 为此 Krebs等人提出了鸟氨酸循环 ornithinecyclc 学说 其后由Ratner和Cohen详细论述了其各步反应 鸟氨酸循环可概括为 尿素 鸟氨酸循环 氨基甲酰磷酸 CompanyLogo 氨的代谢 尿素合成 氨基甲酰磷酸的合成 1 氨基甲酰磷酸的合成 氨基甲酰磷酸是在Mg ATP及N 乙酰谷氨酸存在的情况下 由氨基甲酰磷酸合成酶催化NH3和HCO 在肝细胞线粒体中合成 真核细胞中有两种CPS 1 线粒体CPS 利用游离NH3为氮源合成氨基甲酰磷酸 参与尿素合成 2 胞液CPS 利用谷氨酰胺作N源 参与嘧啶的从头合成 CPS 催化的反应包括下述三步 1 ATP活化HCO