好氧固氮微生物的防氧保护作用

1、好氧固氮微生物的防氧保护作用 摘要：好氧固氮微生物需要通过有氧呼吸合成ATP，但是固氮作用却是在厌氧条件下的还原过程。好氧固氮细菌通过细胞结构保护、呼吸保护、构象保护及防氧屏障等保护固氮酶的活性，从而解决了好氧呼吸与厌氧固氮之间的矛盾，并使好氧固氮微生物在有氧环境中能进行有氧呼吸与厌氧固氮。关键词：好氧微生物；有氧呼吸；厌氧固氮；防氧保护分类号：Q935 文献标识码：A 具有固氮能力的微生物都是原核微生物，其中有厌氧的，也有兼性厌氧及好氧的。固氮微生物都含有固氮酶，由固氮酶催化固氮反应。但氧阻遏固氮酶的合成，破坏固氮酶的活性，致使固氮酶遇氧不可逆失活。就连参与固氮过程的电子传递体铁氧还蛋白（F

2、d）和黄素氧还蛋白（FLd）在有氧条件下也自动氧化，而失去传递电子的作用。因此固氮反应是一个厌氧条件下的还原过程。 专性厌氧固氮微生物只能在无氧条件下生长，故它们的生长和固氮都要求无氧环境；兼性厌氧固氮微生物在有氧或无氧条件下都能生长，但只能在无氧或氧分压低的条件下固氮，说明它们的生长并不影响其固氮；可是好氧固氮微生物的好氧生长与厌氧固氮反应之间存在着矛盾，这种矛盾在机体内如何统一。经研究表明，一方面它们需要一定量的氧维持生命活动，另一方面在细胞结构和生理功能上形成了防氧保护系统，以保护固氮酶的活性。 一、细胞结构保护 有些好氧固氮菌如圆褐固氮菌（Agotobacter chroo coccu

3、m），在细胞外有一层很厚的粘液性荚膜，其成分为多糖，它可以降低氧直接向胞内扩散的速度。特别是在碳源充足，通气量增加时，细胞合成的荚膜物质就更多，在胞外聚集得更厚，其防氧保护作用也就越强。 在光照条件下，用无氮培养基培养自生固氮蓝细菌，它们能利用CO2作为碳源，N2作为氮源，并在光合自养生长过程中放氧。这说明它们既能进行产氧光合作用，又能固定氮素，那么产氧光合作用和厌氧固氮反应为什么能同时存在于一种生物体内。通过研究发现，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。异形胞的胞壁特厚，有阻止外界氧气透入的作用。异形胞

4、保留光系统I，完全丧失光系统II，因而在光照下它们能通过循环光合磷酸化合成ATP，但不放氧1。这样就提供了不产氧的胞内环境，有利于固氮酶的作用。但是丧失光系统II又阻止CO2的同化作用，故异形胞在光照下不能固定CO2，而且它们必须从相邻的营养细胞中获得还原N2® NH3的还原力和碳素营养，反过来异形胞又为营养细胞提供氮素营养。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。 二、呼吸保护 呼吸保护认为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

5、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。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（每消耗一g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。另外，还有些好氧固氮菌如维涅兰德固氮菌（Azotobacter Vinelandii）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传递与磷酸化解偶联，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2： 当机体在氧分压高的环境中生长时，主要通过C

6、4和a2两条分支链呼吸，同时在Fe-S与FMN 之间发生部分解偶联。这样就降低了能量利用率，故机体只有通过提高呼吸才能产生正常生长和固氮所需的能量。当机体在氧分压低的环境中生长时，主要通过C4 和C5两条分支链呼吸，由于C5呼吸链上有三个合成ATP的位点，故机体仍能产生足够的能量满足生长和固氮需要。 好氧性自生固氮菌缺乏共生体系对固氮酶的保护系统，因而在好氧生长中需浪费碳源物质消耗氧才能维持固氮酶的活性。这就是好氧的自生固氮比共生固氮效率低的主要原因之一。固氮酶既能催化N2还原成NH3，也能催化H+还原成H2，故固氮过程往往伴随着放氢。可是许多好氧固氮菌和固氮蓝藻还有吸氢酶，由它催化H2氧化成

7、H+是 以氧为最终电子受体，即H2 + O2Õ H2O. 由此看出，吸氢反应对固氮酶也有防氧保护作用。 三、构象保护 如果氧分压超过固氮酶所能承受的压力，固氮酶可与还原性蛋白质（如铁硫蛋白）结合在一起，形成两种蛋白质的复合物。改变酶分子的构象，使其对氧敏感的部位隐藏在分子内部，增强对氧的稳定性。当有充足的电子流使胞内的氧浓度降低后，复合物解体恢复固氮活性。还有人从维涅兰德固氮菌中分离出一种对固氮酶有防氧保护作用的蛋白质因子，它很可能也是与固氮酶结合成复合物而起到保护作用。 四、防氧屏障 根瘤菌与豆科植物形成共生体一根瘤进行固氮，受到根瘤细胞和豆血红蛋白的双重保护作用，使固氮酶最大限度的发挥固氮活性。 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。存在于屏障之内的根瘤菌既需要厌氧的固氮环境，又需要一定量的氧进行有氧呼吸，豆血红蛋白正是具有这种防氧保护作用。在根瘤细胞质中的根瘤菌以类菌体的状态包藏在泡囊中，豆血红蛋白存在于泡囊膜上包围着类菌体。它与外来的氧结合，使类菌体内的固氮酶不直接与氧接触。由于类菌体的末端氧化酶与氧结合的亲和力高，所以它能在低氧分压条件下呼吸。从而解决了类菌体的有氧呼吸与厌氧固氮之间的矛盾。此外，固氮蓝藻