生物固氮专题知识省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

生物固氮生物固氮第1页 生物固氮作用意义生物固氮作用意义生物固氮作用生物固氮作用分子态分子态N N在部分微生物体内经固氮酶催化还原为在部分微生物体内经固氮酶催化还原为NHNH3 3生物学过程。生物学过程。意义意义生物固生物固N N作用形成化合态作用形成化合态N N是土壤化合态是土壤化合态N N一个主要一个主要起源；起源；直接提升作物能吸收直接提升作物能吸收N N素营养；素营养；降低农本。降低农本。第2页第二节第二节 固氮微生物和固固氮微生物和固N N体系体系一、固氮微生物一、固氮微生物50个属个属100各种，包含细菌、放线菌、蓝细菌等各种，包含细菌、放线菌、蓝细菌等原核微生物原核微生物二、二、固氮种类固氮种类自生固自生固N N菌菌共生固共生固N N菌菌联合固联合固N N菌菌第3页（1）自生固）自生固N菌菌自生固氮菌能独立进行固氮，在固氮酶作用下将自生固氮菌能独立进行固氮，在固氮酶作用下将自生固氮菌能独立进行固氮，在固氮酶作用下将自生固氮菌能独立进行固氮，在固氮酶作用下将分子态分子态分子态分子态N N N N转化为氨，但不释放到环境中，而是深入转化为氨，但不释放到环境中，而是深入转化为氨，但不释放到环境中，而是深入转化为氨，但不释放到环境中，而是深入合成氨基酸，组成本身蛋白质。合成氨基酸，组成本身蛋白质。合成氨基酸，组成本身蛋白质。合成氨基酸，组成本身蛋白质。主要属种主要属种专性好气专性好气专性厌气专性厌气兼性厌气兼性厌气固氮菌属、产碱菌属固氮菌属、产碱菌属固氮单胞菌属固氮单胞菌属鱼腥藻属鱼腥藻属梭菌属、着色菌属、脱硫弧菌属梭菌属、着色菌属、脱硫弧菌属绿假单胞菌属（绿色硫杆菌）绿假单胞菌属（绿色硫杆菌）克雷伯菌属克雷伯菌属红螺菌属、红假单胞菌属红螺菌属、红假单胞菌属第4页（2 2）共生固）共生固N N菌菌指必须与其它生物共生在一起时才能进行固氮指必须与其它生物共生在一起时才能进行固氮微生物。与自生固氮菌相比，共生固氮菌有更微生物。与自生固氮菌相比，共生固氮菌有更高固氮效率高固氮效率常见共生体常见共生体根瘤共生体根瘤共生体地衣共生体地衣共生体苔藓共生体苔藓共生体根瘤菌与豆科植物；根瘤菌与豆科植物；弗兰克氏菌属（放线菌）弗兰克氏菌属（放线菌）与非豆科植物（木麻黄，杨与非豆科植物（木麻黄，杨梅，沙枣）梅，沙枣）第5页（3 3）联合固）联合固N N菌菌这是一类必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等这是一类必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮微生物。处才能进行固氮微生物。联合固联合固N N菌不一样于经典共生固氮菌，不形成根瘤等菌不一样于经典共生固氮菌，不形成根瘤等特殊结构；也不一样于滋生固氮菌，因为它们有较强特殊结构；也不一样于滋生固氮菌，因为它们有较强寄主专一性，而且孤独作用比在自生生条件下强多寄主专一性，而且孤独作用比在自生生条件下强多第6页联合固氮菌联合固氮菌根际：固氮螺菌属、克雷伯菌属根际：固氮螺菌属、克雷伯菌属 叶面：克雷伯菌属、固氮菌属叶面：克雷伯菌属、固氮菌属动物肠道：肠杆菌属动物肠道：肠杆菌属第7页生物固氮作用机理生物固氮作用机理N28e8H1824ATP2NH3H21824(ADPPi)固固N酶酶厌气厌气生物固氮反应生物固氮反应6要素要素1、ATP供给供给2、还原力、还原力【H】及其传递载体及其传递载体3、固氮酶、固氮酶4、还原底物、还原底物-氮气氮气5、镁离子、镁离子6、严格厌氧环境、严格厌氧环境第8页一、一、固固N酶特征酶特征A.组分组分B.性质性质称为固氮酶，由称为固氮酶，由2 2大大2 2小共四个亚基组成，小共四个亚基组成，含铁原子和钼原子，为钼铁蛋白，铁和钼组成含铁原子和钼原子，为钼铁蛋白，铁和钼组成一个称为一个称为“FeMoCoFeMoCo”辅因子，是还原氮气活性辅因子，是还原氮气活性中心中心称作固氮酶还原酶，由称作固氮酶还原酶，由2 2个大小相同亚个大小相同亚基组成，只含铁原子为铁蛋白，其功效是传递基组成，只含铁原子为铁蛋白，其功效是传递电子到组分电子到组分上上第9页固氮酶两个组分具互补性，起源于不一样固氮微生固氮酶两个组分具互补性，起源于不一样固氮微生物固氮酶组分能够组合表现酶活性，其强弱视亲缘物固氮酶组分能够组合表现酶活性，其强弱视亲缘关系远近；关系远近；氧敏感性，遇氧不可逆变性失活；氧敏感性，遇氧不可逆变性失活；具底物多样性，除能将分子态具底物多样性，除能将分子态N N还原为氨外，还能还原为氨外，还能催化许多底物还原。催化许多底物还原。低低Eh（-490mv）条件下进行固）条件下进行固N作用。作用。HCCHH2C=CH2H+H2N2ON2一、一、一、一、固固固固N N酶特征酶特征酶特征酶特征第10页 固氮作用生化路径：固氮作用生化路径：1、由电子载体铁氧还蛋白（、由电子载体铁氧还蛋白（Fd)或黄素氧还蛋白或黄素氧还蛋白(Fld)向氧化型固二氮酶还原酶铁原子提供一个电子，向氧化型固二氮酶还原酶铁原子提供一个电子，使其还原使其还原2还原型固二氮酶还原酶与还原型固二氮酶还原酶与ATP-Mg结合改变构象结合改变构象3固二氮酶在固二氮酶在FeMoCoMo位点上与分子氮结合，并位点上与分子氮结合，并与固二氮酶还原酶与固二氮酶还原酶-Mg-ATP复合物反应，形成一个复合物反应，形成一个1:1复合物，即完整固氮酶复合物，即完整固氮酶第11页4在固氮酶分子上有一个电子从固二氮酶还原酶在固氮酶分子上有一个电子从固二氮酶还原酶-Mg-ATP复合物转移到固二氮酶铁原子上，这时固二复合物转移到固二氮酶铁原子上，这时固二氮酶还原酶重新转变成氧化态，同时氮酶还原酶重新转变成氧化态，同时ATP水解成水解成ADP+Pi5经过上述过程连续经过上述过程连续6次运转，才可使固二氮酶释放次运转，才可使固二氮酶释放出出2个氨气分子个氨气分子第12页二、固二、固N酶催化反应条件酶催化反应条件1 1、催化反应所需能量和电子、催化反应所需能量和电子还原还原还原还原1 1分子分子分子分子N N2 2为为为为2NH2NH3 3，共需，共需，共需，共需18241824个个个个ATPATP，其中，其中，其中，其中好气性固好气性固N微生物微生物氧化磷酸化（底物水平，氧化磷酸化（底物水平，电子传递磷酸化）电子传递磷酸化）厌气性固厌气性固N微生物微生物底物水平磷酸化底物水平磷酸化光合固光合固N微生物微生物光合磷酸化光合磷酸化（1 1）ATPATP起源起源起源起源第13页二、固二、固二、固二、固N N酶催化反应条件酶催化反应条件酶催化反应条件酶催化反应条件呼吸、发酵或光合作用形成还原力呼吸、发酵或光合作用形成还原力，如，如NAD(P)NAD(P)H H，H H2 2，丙酮酸（生理性电子供体），丙酮酸（生理性电子供体），这类电子供体提供电子须由电子载体携带，这类电子供体提供电子须由电子载体携带，如铁氧还蛋白、黄素氧还蛋白。如铁氧还蛋白、黄素氧还蛋白。非生理性电子供体非生理性电子供体：是一类强还原性化学物：是一类强还原性化学物质，如连二亚硫酸钠。质，如连二亚硫酸钠。（2 2）电子起源：由电子供体提供）电子起源：由电子供体提供）电子起源：由电子供体提供）电子起源：由电子供体提供电子：还原电子：还原电子：还原电子：还原1 1分子分子分子分子N N2 2为为为为2NH2NH3 3，共需，共需，共需，共需8 8个电子，其个电子，其个电子，其个电子，其中中中中6 6个用于个用于个用于个用于N N2 2还原，还原，还原，还原，2 2个电子用于个电子用于个电子用于个电子用于H H+还原。还原。还原。还原。第14页2 2、固、固N N酶催化反应抑制酶催化反应抑制（1）氢抑制）氢抑制H H H H是固是固是固是固N N N N作用专一性竞争抑制剂作用专一性竞争抑制剂作用专一性竞争抑制剂作用专一性竞争抑制剂原因：原因：|H+和和N2在固氮酶上结合位点相同；在固氮酶上结合位点相同；|竞争能量和电子。竞争能量和电子。在分子态在分子态在分子态在分子态N N N N还原过程中总是伴有还原过程中总是伴有还原过程中总是伴有还原过程中总是伴有H H H H2 2 2 2释放，释放，释放，释放，这一现象称为放氢现象：这一现象称为放氢现象：这一现象称为放氢现象：这一现象称为放氢现象：2H+固固N酶酶H2H2吸氢酶吸氢酶O22H+2e二、固二、固二、固二、固N N酶催化反应条件酶催化反应条件酶催化反应条件酶催化反应条件第15页（2）氧抑制）氧抑制3.固固N酶催化反应抑制酶催化反应抑制A.氧敏感性氧敏感性氧敏感性氧敏感性O2使电子载体氧化，影响电子传递；使电子载体氧化，影响电子传递；O2使固氮酶一些蛋白氧化变性，产生不可逆失活。使固氮酶一些蛋白氧化变性，产生不可逆失活。原因：原因：第16页I.I.共生固氮菌共生固氮菌共生固氮菌共生固氮菌根瘤菌防氧保护机制：豆血红蛋白（根瘤菌防氧保护机制：豆血红蛋白（根瘤菌防氧保护机制：豆血红蛋白（根瘤菌防氧保护机制：豆血红蛋白（L6L6）存在于根瘤菌细胞泡囊，类菌体细胞周围；存在于根瘤菌细胞泡囊，类菌体细胞周围；L6既能够加氧状态存在，又能够脱氧存在，使既能够加氧状态存在，又能够脱氧存在，使L6成为氧调成为氧调整剂。整剂。L6O2L6O2豆血红蛋白是共生体根瘤形成过程中由根瘤菌和植物基因豆血红蛋白是共生体根瘤形成过程中由根瘤菌和植物基因共同形成，其中根瘤菌产血红素，植物产球蛋白共同形成，其中根瘤菌产血红素，植物产球蛋白,但须由根但须由根瘤菌诱导才能产生。瘤菌诱导才能产生。L6OL6OL6OL6O2 2 2 2能够高流速低浓度氧流向类菌体，提供生长所需能够高流速低浓度氧流向类菌体，提供生长所需能够高流速低浓度氧流向类菌体，提供生长所需能够高流速低浓度氧流向类菌体，提供生长所需O O O O2 2 2 2。这么既确保类菌体生长，又确保类菌体细胞内固氮酶不受这么既确保类菌体生长，又确保类菌体细胞内固氮酶不受这么既确保类菌体生长，又确保类菌体细胞内固氮酶不受这么既确保类菌体生长，又确保类菌体细胞内固氮酶不受高浓度氧抑制。高浓度氧抑制。高浓度氧抑制。高浓度氧抑制。第17页II.II.好气性自生固氮菌防氧保护机制好气性自生固氮菌防氧保护机制好气性自生固氮菌防氧保护机制好气性自生固氮菌防氧保护机制呼吸保护作用呼吸保护作用呼吸保护作用呼吸保护作用构象保护作用构象保护作用构象保护作用构象保护作用当体内含有高浓度当体内含有高浓度O O2 2时，经过改变呼吸路径，时，经过改变呼吸路径，消耗大量底物同时也就消耗了大量消耗大量底物同时也就消耗了大量O O2 2。将固氮酶可逆结合处将固氮酶可逆结合处Fe-SFe-S蛋白上形成一个蛋白复合体，该蛋白上形成一个蛋白复合体，该复合体能增加对氧稳定性，当体内高浓度复合体能增加对氧稳定性，当体内高浓度O O2 2消耗后，这种消耗后，这种蛋白复合体自行解体，固氮酶恢复其固氮催化作用。蛋白复合体自行解体，固氮酶恢复其固氮催化作用。经过产生过氧化物歧化酶，对过氧化物具解毒作用，经过产生过氧化物歧化酶，对过氧化物具解毒作用，经过产生过氧化物歧化酶，对过氧化物具解毒作用，经过产生过氧化物歧化酶，对过氧化物具解毒作用，保护固氮酶免受过氧化物抑制。保护固氮酶免受过氧化物抑制。保护固氮酶免受过氧化物抑制。保护固氮酶免受过氧化物抑制。第18页III.III.好气性固氮蓝细菌防氧保护机制好气性固氮蓝细菌防氧保护机制好气性固氮蓝细菌防氧保护机制好气性固氮蓝细菌防氧保护机制异形胞异形胞胞壁厚，预防胞壁厚，预防O2、水及其它化合物渗透。水及其它化合物渗透。异形胞中央部分类囊体膜消失，使其光合系统异形胞中央部分类囊体膜消失，使其光合系统失活失活（光合系统光合系统 主要是光解水产生主要是光解水产生H H+和和O O2 2），它经过环式），它经过环式光合磷酸化产生光合磷酸化产生ATPATP和还原剂和还原剂NADPHNADPH。第19页（3）固氮作用中氨效应及其调整）固氮作用中氨效应及其调整3.固固N酶催化反应抑制酶催化反应抑制因为过量化合态因为过量化合态N N存在影响固氮酶活性或者因为固存在影响固氮酶活性或者因为固N N产物产物NHNH3 3累积，累积，抑制固抑制固N N酶生物合成，使固酶生物合成，使固N N作用中止现象。作用中止现象。氨效应氨效应氨效应氨效应机理机理机理机理大量铵盐损坏细胞膜，影响电子向固大量铵盐损坏细胞膜，影响电子向固N N酶转移；因为酶转移；因为谷氨酰谷氨酰胺合成酶胺合成酶受到高浓度各种氨基酸反馈抑制，使该酶负责调控受到高浓度各种氨基酸反馈抑制，使该酶负责调控固固N N酶合成基因遗传密码能力受抑制，从而造成固酶合成基因遗传密码能力受抑制，从而造成固N N酶基因转酶基因转录中止，固录中止，固N N作用中止。作用中止。第20页氨调整氨调整氨调整氨调整自生固自生固N菌：菌：95NH3用于细胞本身，用于细胞本身，5分泌到胞外。分泌到胞外。共生固共生固N菌：菌：固固N在根瘤类菌体细胞中进行，因为类菌体细胞不具上在根瘤类菌体细胞中进行，因为类菌体细胞不具上述同化氨酶系统，所以必须述同化氨酶系统，所以必须将固将固N产生产生NH3 95分泌到分泌到类菌体细胞外根瘤植物细胞浆中，类菌体细胞外根瘤植物细胞浆中，经过经过谷氨酰胺脱氢酶谷氨酰胺脱氢酶（GDH）作用，形成酰胺型各种有机作用，形成酰胺型各种有机N化物，再经过植化物，再经过植物输导系统运输到植物各个部位。物输导系统运输到植物各个部位。（3）固氮作用中氨效应及其调整）固氮作用中氨效应及其调整第21页大气中氮气可经过几条路径被大气中氮气可经过几条路径被“固定固定”？1）生物固氮生物固氮2）工业固氮工业固氮（生产氮素化肥）（生产氮素化肥）3）高能固氮高能固氮（闪电）（闪电）第22页 将固氮细菌体内将固氮细菌体内固氮基因转移固氮基因转移到非到非豆豆科粮食作物科粮食作物细胞内，在固氮基因调控下，细胞内，在固氮基因调控下，让非豆科粮食作物细胞内让非豆科粮食作物细胞内合成出固氮酶合成出固氮酶而而且且固氮固氮，这是处理非豆科粮食作物自行固，这是处理非豆科粮食作物自行固氮一条主要路径，这一路径叫做氮一条主要路径，这一路径叫做固氮基因固氮基因工程工程。（五）生物固氮研究前景（五）生物固氮研究前景固氮基因工程：固氮基因工程：第23页Thank you for you attention第24页