[科普中國]-生物固氮作用

固氮反應(yīng)及其基本條件

盡管能固氮的微生物多種多樣，但各類固氮微生物進(jìn)行固氮的基本反應(yīng)式相同，即

N2+6e-+6H++nATP→2NH3+nADP+nPi

此反應(yīng)很清楚地表明要進(jìn)行固氮，必須滿足以下基本條件1：

（1）必須有具固氮活性的固氮酶。

（2）必須有電子和質(zhì)子供體，每還原1分子N2需要6個電子和6個質(zhì)子，另有2個質(zhì)子和電子用于生成H2。還需有相應(yīng)的電子傳遞鏈傳遞電子和質(zhì)子。

（3）必須有能量供給，由于N2分子具有鍵能很高的三價(jià)鍵，因此需要很大的能量才能打開。

（4）有嚴(yán)格的無氧環(huán)境或保護(hù)固氮酶的免氧失活機(jī)制，因?yàn)楣痰笇ρ蹙哂懈叨让舾行?，遇氧即失活?/p>

（5）形成的氨必須及時轉(zhuǎn)運(yùn)或轉(zhuǎn)化排除，否則會產(chǎn)生氨的反饋?zhàn)枰中?yīng)。1

固氮酶的結(jié)構(gòu)組成和催化特征結(jié)構(gòu)組成盡管自然界中固氮微生物多種多樣，但固氮微生物所含固氮酶組成大致相似，都是由兩個亞單位（即組分IMoFe蛋白、組分IIFe蛋白）和一個輔因子（FeMoco）組成。目前已知自然界中存在三套含有不同金屬的固氮酶，即在環(huán)境中無Mo時可被V代替，但多數(shù)固氮微生物所含的是鉬鐵蛋白固氮酶，而且以鉬鐵蛋白固氮酶的固氮效率為最高。來自不同固氮微生物固氮酶的兩個亞基之間可以進(jìn)行互補(bǔ)，組成的固氮酶仍然具有固氮活性，但這種活性比各自原始的固氮酶活性要低。1

催化特征固氮酶除了能催化N2還原為NH3外，還可催化還原下列物質(zhì)：催化C2H2為C2H4，2H為H2，N3為NH3和N2，催化N2O為N2和H2O，等等。可見，固氮酶是一個十分活躍、基質(zhì)譜相當(dāng)廣的酶。但在所有能催化的基質(zhì)中，以催化N2為NH3的反應(yīng)效率最高。1

固氮酶的固氮催化機(jī)理在固氮過程中，由呼吸作用、發(fā)酵光合作用過程中產(chǎn)生的電子和質(zhì)子首先還原NAD或NADP成為NADH或NADpH，由還原態(tài)的NADH或NADpH還原Fd或Fld，再還原固氮酶組分Ⅱ即鐵蛋白，由還原態(tài)的鐵蛋白還原固氮酶組分Ⅰ即MoFe蛋白，還原態(tài)的MoFe蛋白還原N2和其他各種底物。固氮酶合成、催化和酶活性調(diào)控的分子生物學(xué)研究已經(jīng)相當(dāng)深入，固氮酶合成的各個基因結(jié)構(gòu)及其功能已大多清楚。固氮酶nif基因簇表達(dá)在有氧和高濃度有效氮素因素下的調(diào)控機(jī)理也已闡明。1

影響固氮效率的因素（1）氧對固氮酶的影響

固氮酶對氧氣敏感，從好氧固氮菌體內(nèi)分離的固氮酶，一遇氧就發(fā)生不可逆性失活。固氮酶對氧氣敏感，從好氧固氮菌體內(nèi)分離的固氮酶，一遇氧就發(fā)生了不可逆失活。好氧固氮菌生長需要氧，固氮卻不需要氧。好氧固氮菌為了生長過程中同時固氮，它們在長期的進(jìn)化中形成了保護(hù)固氮酶的防氧機(jī)制，使固氮作用正常進(jìn)行。

（2）固氮作用中的氨效應(yīng)

氨的固氮作用的產(chǎn)物，但氨的數(shù)量超過了固氮微生物機(jī)體本身的需要并迅速轉(zhuǎn)換為氨基酸的能力較低時，積累的氨可阻遏體內(nèi)固氮氨的生物合成。在缺乏NH4+的環(huán)境里，谷氨酰胺合成酶能與固氮啟動基因組合，推動RNA聚合酶催化轉(zhuǎn)錄mRNA，合成固氮酶。但在有豐富NH4+的環(huán)境中，谷氨酰胺合成酶被腺苷化，構(gòu)象發(fā)生變化，失去與固氮酶啟動基因區(qū)結(jié)合的能力，導(dǎo)致固氮酶不能合成。因此在培養(yǎng)固氮菌時如加入銨鹽，則固氮菌不進(jìn)行固氮而依賴銨鹽生長。

（3）ADP/ATP比率對固氮酶活性的調(diào)節(jié)

在Mg2+和ATP參與的情況下，固氮酶能催化N2為NH3，這是固氮酶活性不可缺少的成分和正效應(yīng)劑。Mg·ATP的水解產(chǎn)物是Mg·ADP，但兩者的作用完全相反，Mg·ADP是固氮酶的負(fù)效應(yīng)劑，對固氮酶的產(chǎn)物還原活性部位起負(fù)的別構(gòu)調(diào)節(jié)作用。它可以抑制從鐵蛋白到鉬鐵蛋白的電子轉(zhuǎn)移，并控制進(jìn)入鐵蛋白的電子總量，因而能有效地抑制固氮酶活性。因此細(xì)胞內(nèi)ADP/ATP的比率可以調(diào)節(jié)固氮酶活性。1

（4）環(huán)境中的C/N的影響

土壤中C/N是影響固氮作用的最重要的因素之一。化能異養(yǎng)型固氮微生物只有在環(huán)境中有豐富的有機(jī)碳化合物而同時又缺少化合態(tài)時才能進(jìn)行有效固氮。如果環(huán)境中化合態(tài)氮十分豐富，固氮微生物利用現(xiàn)成的氮化物作氮源，而固氮酶被化合態(tài)氮抑制，不顯示固氮活性。另外，非固微生物由于氮源豐富而易于發(fā)展，因此與固氮微生物競爭碳源。因此只有在C/N比很高的環(huán)境中，這類化能異養(yǎng)型固氮微生物才會發(fā)揮固氮作用。1