固氮微生物固氮机制

如何解决固氮微生物需氧而氧气损伤固氮酶的矛盾？固氮微生物(nitrogen-fixing organisms, diazotrophs)主要是指具有固氮功能的细菌，还包括有固氮功能的蓝藻和放线菌。一切固氮微生物都含有固氮酶。固氮酶是一种能够将分子氮还原成氨的酶。固氮酶是由两种蛋白质组成的：一种含有铁，叫做铁蛋白，另一种含铁和钼mo2+，称为钼铁蛋白。只有钼铁蛋白和铁蛋白同时存在，固氮酶才具有固氮的作用(因为这两种物质作为电子载体能够起到传递电子的作用）。固氮酶的这两个组分对氧是极其敏感的，它们一旦遇氧就导致不可逆的失活。组分(铁蛋白)在空气中暴露45秒其酶活丧失一半，组分（钼铁蛋白）在空气中的活性半衰期约为10min。当然，来自不同微生物的固氮酶，其对氧的敏感性还是有较大差别的。但是，大多数固氮菌为好氧菌，它们需要氧气进行呼吸和产能。因此，在它们身上都存在着好样生化反应（呼吸）和厌氧生化反应（固氮）着两种表面上似乎水火不相容的矛盾过程。事实上，好氧性固氮菌在长期进化过程中，早已进化出如下适合在不同条件下保护固氮酶免受氧害的机制了。一、以较强的呼吸作用迅速地将周围互不干涉中的氧消耗掉，使细胞固氮酶周围处于低氧状态，保护固氮酶不受损伤。二、在根瘤菌中，以豆血红蛋白与氧气结合的方式使豆血红蛋白周围的氧气维持在一个极低的水平。三、有些固氮菌能形成一个阻止氧气通过的粘液层。好养自生菌呼吸保护好氧固氮菌在氧气充足的环境中生长时, 可通过提高呼吸的方式加速消耗氧, 以致使氧到达固氮反应部位之前就被消耗, 保证固氮反应部位是一个局部厌氧或氧分压低的微环境。验证方法：用限量通气的方法培养好氧固氮菌, 增加通气量, 其氧系数（指单位时间里每mg菌体蛋白或每mg细胞物质所消耗氧的微升数)大幅度提高, 而固氮效率(每消耗1g碳源物质所产生的氨量) 明显下降。这说明氧气充足确实引起好氧固氮菌加快氧化分解有机物,以加速氧的消耗。1.大多数耗氧固氮菌单纯通过呼吸链来提高呼吸耗氧速度属于固氮菌科(Azotobacterlaceae)的固氮菌都具有特别高的呼吸强度。例如，把生长在低氧分压（混合气中氧气部分的压力）下的固氮菌突然转移到高氧分压下培养时，其呼吸强度和NADPH2脱氢酶活性同时增高，细胞色素a2的含量增加，而氧化磷酸化的效率却明显降低。2.另外, 还有些好氧固氮菌如维涅兰德固氮菌在氧分压高的环境中生长能改变呼吸链, 甚至使呼吸链上的电子祷专递与磷酸化解偶联, 降低能量利用率, 提高呼吸耗氧速度。下面是维涅兰德固氮菌有分支的呼吸链： 3.通过吸氢反应来提高呼吸耗氧速度构象保护若好氧自生固氮菌处于高氧环境中，当氧分压超过固氮酶的承受能力时，其固氮酶便与还原性蛋白质或磷脂等稳定因子结合，引起构象改变，使此类固氮菌对氧气敏感部位隐藏于分子内部，增强对氧气的稳定性，形成一个无固氮活性但能防止氧损伤的特殊构象。这种构象的改变具有可逆性，当该种特殊构象处于低氧环境中时，可重新恢复原状态，发挥固氮活性，进行厌氧固氮。二者结合的“双保险”式调节机制加强呼吸作用与改变构象两者相互协调，组成一个“双保险”式调节机制。在一般情况下，可通过加强呼吸来去除多余的氧，同时产生足够的能量供固氮作用消耗，若还不足以去除过量的氧时，则可进一步改变固氮酶构象，以保护固氮酶免遭氧的破坏，从而渡过不良环境。加强呼吸和改变构象两者相互配合，使好氧自生固氮菌的有氧呼吸和厌氧固氮两种作用相得益彰、和睦相处。固氮蓝藻异形胞抗氧机制1.已知的固氮蓝细菌除少数种类外, 都是丝状体。它们在无化合态氮的条件下进行光合自养生长时,丝状体中的营养细胞分化成异形胞进行固氮。异形胞较营养细胞大，胞外有一层由已知糖脂组成的较厚的膜，该膜具有阻止氧气扩散入细胞内的物理屏障作用。在许多具有异形胞的蓝细菌中, 异形胞以一定的间隔排列在丝状体中。它们与营养细胞通过顶端微细孔中的胞间连丝相连, 二者的物质交换就是通过这种胞间连丝来进行的。2.异形胞是部分蓝细菌适应于有氧条件下进行固氮作用的特殊细胞。它有很厚搜索的细胞壁，缺乏产氧光合系统，有高的脱氢酶和氢化酶活力，这些特性使异形胞保持高度的无氧或还原状态，固氮酶不会受氧的伤害。此外，异形胞还有高的超氧化物歧化酶活力，有解除氧毒害的功能；其呼吸强度也高于邻近的营养细胞。非异形胞抗氧 没有异形胞分化的蓝细菌有的将固氮作用与光合作用分开进行(黑暗下固氮，光照下进行光合作用)，如织线蓝细菌属等；有的在束状群体中央失去光合系统的细胞中进行固氮作用，如束毛蓝细菌属；有的则通过提高细胞内过氧化物酶或超氧化物歧化酶活力以解除氧毒害，如粘球蓝细菌属等，以保护固氮酶。根瘤菌根瘤细胞保护根瘤菌侵入豆科植物根内，形成根瘤，根瘤的内皮层细胞排列致密, 形成一道防氧屏障, 限制气体分子向根瘤内扩散，保护固氮酶的活性。豆血红蛋白保护在根瘤内根瘤菌以只生长不分裂的类菌体形式存在，许多类菌体被一层周膜包被，在这层周膜的内外存在着一种独特的豆血红蛋白（它是由豆科植物基因与根瘤菌基因共同控制合成），豆血红蛋白对氧气具有极高的亲和力，可使近血红蛋白处的氧浓度比周围环境降低8万倍，可与氧气结合形成氧合豆血红蛋白。由于根瘤中豆血红蛋白浓度高，所以结合态氧浓度大大高于自由态氧浓度，从而避免固氮酶被自由氧损伤。而这种较低自由氧环境丝毫不影响类菌体的呼吸作用，类菌体的有氧呼吸末端氧化酶对氧气亲和力高，可在低氧环境下照常进行有氧呼吸。植物血红蛋白保护非豆科植物共生根瘤菌(如共生在糙叶山麻黄根瘤中的豇豆根瘤菌)依靠非豆科植物所含的植物血红蛋白(具有与豆血红蛋白类似功能的蛋白)保护着固氮酶