生物固氮作用

生物固氮作用

生物固氮作用即分子态氮（N₂）在生物体内还原为氨（NH₃）的过程。由固氮作用所形成的氮素化合物是自然界土壤中化合态氮的主要来源。生物固氮作用是固氮微生物的一种特殊生理功能，其总的生物化学反应是：

尽管不同固氮微生物的生理特性有差别，它们产生ATP的途径也不同（可以通过光合磷酸化作用或发酵作用），但它们的固氮机制是统一的，由固氮酶系统循序催化进行，ATP一定要与镁（Mg）结合而形成Mg-ATP复合物才能起作用。

分子氮的还原过程是由固氮酶催化的。固氮酶、还原剂、Mg-ATP和ATP再发生系统组成复杂的固氮酶体系。固氮酶含有两种蛋白成分，即钼铁蛋白和铁蛋白。依据它们的结构和作用性质，可以把它们分为两个不同的酶，钼铁蛋白为氮酶，铁蛋白为氮酶的还原酶。固氮体系中的还原剂有黄素氧还蛋白和铁氧还蛋白。实验室中研究固氮酶时，常用连二亚硫酸钠（Na₂S₂O₄）作还原剂。

固氧作用中电子的传递过程如下：

氮酶还原酶与Mg-ATP结合后，被铁氧还蛋白或黄素氧还蛋白或Na₂S₂O₄还原并与酶暂时地结合，以进行电子转移。氮酶还原酶每次转移一个e给氮酶。伴随着两个Mg-ATP的水解。在催化过程中，氮酶还原酶必需反复氧化还原，以保证有足够的电子转移给氮酶，还有氮分子。

固氮酶除能将分子氮还原为氨外，还能催化一些具有N-N、N＝O、C≡N以及C≡C键化合物的还原，如将乙炔（C₂H₂）还原为甲烷（CH₄）等。用乙炔还原法测定固氮酶活性，就是根据固氮酶作用底物的多样性。固氮酶还原CH4形成C₂H₂，能够用气相层析仪快速测定，简便而灵敏。这一固氮酶活性的间接测定法已被广泛应用。

许多化合物是固氮酶的抑制剂，当其他底物存在时，都可与分子氮竞争电子。氢是固氮作用的专一性抑制剂，但不抑制其他底物的还原作用，也不抑制ATP的水解。另一方面，氢也是固氮过程中的产物。固氮酶在还原氮的同时放氢，这对固氮作用是不利的，因为消耗了ATP和电子。有些固氮细菌具有氢酶催化氢分子为质子，H₂2H^＋＋2e，使放出的电子被再利用，从而节约了能源。

固氮酶对氧敏感，氮的还原过程是在无氧条件下进行的。对于厌氧性固氮细菌来说，它们的生活条件和固氮条件是统一的。兼好气性固氮细菌（如肺炎克氏杆菌）在有氧和无氧条件下均能生长，但是只在无氧环境中才能进行固氮作用。各种好气性固氮细菌的生活条件和固氮条件是矛盾的，但它们各自具备对固氮酶的防氧保护机制，能够在进行有氧生活的同时固氮。严格好气性固氮菌有很强的呼吸活性，借以维持细胞内固氮酶周围的低氧浓度；另一方面，它的细胞中含有一种Fe-S蛋白，与固氮酶结合时增加后者的稳定性。一些好气性固氮细菌在胞壁外被有荚膜或粘质，有阻碍氧向细胞内扩散的作用。具有异形细胞的固氮蓝细菌，固氮作用在特殊的厚壁异形细胞中进行。根瘤菌与豆科植物的共生固氮作用具有防氧保护机制，通过豆血红蛋白调节氧浓度，保证向类菌体不断供应浓度低而流速大的氧流，使类菌体的呼吸强度能产生足量的ATP，但不妨碍固氮酶的活性。

氨是固氮作用的产物，但在培养固氮菌时加铵盐，则固氮作用受到抑制，这时固氮菌利用现成的化合态氮进行生长。氨不是抑制固氮酶本身的活性，而是阻碍固氮酶合成基因的表达。整个作用机制很复杂。固氮菌具备一套酶系统，能有效地将氨转化为氨基酸，进而同化为蛋白质。氨基酸的合成是通过谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合成酶（GOGAT）的偶联作用，同时有各种氨基转移酶参加。所以自生固氮菌在固氮过程中，不会在细胞中积累氨，也很少有氨分泌到细胞外面来。根瘤菌在根瘤中固氮时，它本身很少同化固氮产物（氨），因为它缺乏同化氨的酶系统（GS GOGAT），氨从类菌体分泌出来，由根瘤细胞的酶系统进行同化。类菌体在固氮过程中不进行生长繁殖，本身不需要同化氮素，它所固定的氮绝大部分供植物利用。这就是共生固氮作用和自生固氮作用的显著区别。好气性固氮菌为了维持固氮酶活性所需的低氧压条件，通过呼吸作用消耗大量碳水化合物，这是有机营养型自生固氮菌的固氮效率大大低于共生固氮体系的原因之一。

固氮酶是由固氮基因编码的。20世纪70年代对肺炎克氏杆菌的固氮基因进行了大量的研究工作，基因结构已基本清楚。固氮基因群最少有17个位点，位于染色体上靠近组氨酸操纵子一端，这些位点组成7个操纵子，转录方向是相同的，即都朝向组氨酸基因。现在已把肺炎克氏杆菌染色体上的固氮基因重组到质粒上，构成了固氮质粒，可以转移到一些革兰氏阴性细菌中去。

根瘤菌与豆科植物的共生固氮体系要复杂得多。它不仅需要固氮基因，还必需具备形成根瘤的基因（结瘤基因）。一种根瘤细菌能否在某种豆科植物上结瘤，是由双方共同决定的，现已证明某些快生型根瘤菌的结瘤基因和固氮基因存在于质粒上。

用科学手段来研究生物固氮作用，已有100年的历史。一些固氮微生物应用于农业生产也收到了好的效果（主要是根瘤）。近20年来，生物固氮作用的理论研究有较大进展，为固氮作用的实际应用提供了科学依据。