生物固氮的生物化学和生理学

N2+8e+16mg ATP+16H2O→2 NH3+H2+16mg ADP+16 pi+8H+

催化这个反应的酶是固氮酶。固氮酶是一种多功能氧化还原酶。除了还原N2，还能还原多种底物，如乙炔、氰化物、一氧化二氮、肼、叠氮化物、H+。用气相色谱仪很容易测定乙炔还原成乙烯的量，为研究固氮酶的活性提供了一种非常简单的方法。该方法在生物固氮研究中发挥了重要作用。

固氮酶由铁钼蛋白(Fe-Moprotein)和铁蛋白(Fe-protein)组成。这两种蛋白单独存在时不显示固氮酶活性，只有聚合形成复合物才能催化氮还原。铁钼蛋白是由两个α亚基和两个β亚基组成的四聚体(α2β2)，分子量分别为51kD和60kD，分子量约为220~245kD。每个铁钼蛋白分子含有两个钼原子和28个铁原子。铁蛋白的分子量在59 ~ 73kd之间，由两个分子量相同的30kD (γ2)亚基组成。铁蛋白含有四个铁原子。在将氮还原为NH4+的过程中，固氮酶中的Fe和Mo都发生氧化还原反应，如图5-20所示。类杆菌利用碳水化合物进行呼吸，产生NADH或NADPH和ATP。现已发现固氮的天然电子转运体(供体)包括铁氧还蛋白、黄素氧还蛋白等。固氮生物体内ATP和二价金属离子(如Mg2+)的存在是固氮不可或缺的条件。只有在Mg2+的作用下，ATP才能与Fe蛋白结合，ATP的水解也只有在Fe-Mo蛋白的参与下才能发生。铁蛋白将电子传递给铁钼蛋白，ATP水解生成ADP。Fe-Mo蛋白最终将电子转移到N2和质子上，产生2分子NH3和1分子H2。

固氮酶对氧气敏感，其催化反应需要在厌氧条件下进行。除了专性厌氧生物外，氧气可以损伤其他固氮生物的固氮酶，但这些生物需要氧气通过呼吸作用产生固氮所必需的ATP，所以高效固氮一般在微氧下进行。不同固氮生物避免固氮酶氧损伤的机制不同。例如，具有异型细胞的蓝藻的固氮功能主要是在异型细胞中进行的，有一层由糖脂组成的外膜阻止氧气进入，没有能通过水光解释放氧气的PS ⅱ。其中，磷酸戊糖途径中的两种酶活性较低，而超氧化物歧化酶和脱氢酶活性较强，使异型细胞保持在微氧环境中。豆科植物根瘤中的拟杆菌在拟杆菌周围有一层膜，肿瘤内皮层的细胞排列紧密，形成缝隙，这对维持拟杆菌的缺氧环境非常重要。此外，根瘤细胞中的豆科血红蛋白也部分控制了对类细菌氧的需求。在非豆科植物的固氮系统中，放线菌的瘤内有囊泡，可能与蓝藻的异型细胞具有相同的抗氧功能。显然，* * *生物系统中的根瘤本身就是一个很好的氧气保护系统。

拟杆菌中合成的NH3(可能是NH4+)必须被转运出拟杆菌，才能参与宿主植物的代谢。在类细菌细胞的细胞质中，NH4+转化为谷氨酰胺、谷氨酸、天冬酰胺和尿素。这些物质由转移细胞分泌到木质部，并运输到植物的其他部位。

由于生物固氮的重要性，控制生物固氮的环境和遗传因素的研究一直受到重视。研究表明，所有能增加植物光合能力的因素，如适宜的水分、温度、强光和高CO2水平，都能促进固氮。豆科植物和固氮生物的遗传因素也影响固氮的速率和产量。例如，遗传因素之一是豆科植物的结瘤能力，这取决于根瘤菌与宿主植物之间由遗传控制的识别过程。为了提高结瘤能力，科学家们正在进行转化根瘤菌基因和选择合适宿主品种的研究。另一个遗传因素是固氮酶在减少N2的同时减少H+。从反应总式可以看出，固氮酶催化的反应中，1/4个电子用于还原H+生成H2。H2被还原并逃逸到大气中，浪费了能量。然而，大多数根瘤菌和自养固氮菌含有氢化酶，它将H2氧化成H2O，促进ADP和Pi合成ATP。研究表明，生有氢化酶活性高的根瘤菌的豆科植物(如大豆)产量略高于生有氢化酶活性低的根瘤菌。可能是前者减少了能量的浪费。基于这种认识，有可能通过基因工程技术获得氢化酶活性更高的根瘤菌，提高豆类产量。此外，通过基因工程技术将固氮基因导入非豆科植物的根部，使这些植物的固氮工作取得了一定的进展。

植物不同的生长阶段会影响生物固氮。如大豆、花生、木豆，生物固氮的氮90%处于生殖生长期，而10%处于营养生长期。奇怪的是，几种豆类的生物固氮提供的氮只有其一生所需总氮的1/4 ~ 1/2，其余主要在营养生长阶段从土壤中吸收NO3-或NH4+。但是，施再多的氮肥也不能增产。原因是植物对氮肥的吸收增加但生物固氮能力下降。硝酸盐肥料有几个作用:抑制根瘤菌与根毛的接触，阻止侵染丝的形成；根瘤生长缓慢抑制了成熟根瘤的固氮作用；当添加NO3-和NH4+时，根瘤衰老加快。