10.2.2 固氮生物的类型
目前已发现的固氮生物近50个属，包括细菌、 放线菌和蓝细菌，根据固氮微生物与高等植 物和其他生物的关系，可分为自生固氮微生 物和共生固氮微生物两类。
10.2.2.1 自生固氮微生物(diazatrophs)
自生固氮微生物是指独立生活时能使气态氮固 定为NH3的少数微生物。 固氮有两种方式： ①利用光能还原氮气。如鱼腥藻(Anabaena)、 念球藻(Nostoc)，固氮过程与还原CO2类似。
NAD(P)H-硝酸还原酶为寡聚蛋白，所含亚 基数因植物而异。它是以FAD、细胞色 素 b-557 和 钼 为 电 子 传 递 体 。 电 子 从 NAD(P)H传递到NO3。
10.3.1.3
硝酸还原酶是诱导酶
当将水稻幼苗培养在含硝酸盐的溶液中时，幼 苗体内便诱导形成硝酸还原酶；若用不含硝 酸盐的培养液时，则幼苗内不含硝酸还原酶。 同样在土壤中增施硝酸盐氮肥时，往往测到 作物体内硝酸还原酶的活性增高，作物蛋白 质含量也随之而增加。 光照对硝酸还原酶活性有很大影响，酶活性随 光照强度增大而升高，在遮荫或黑暗中则活性 减小，原因在于光合产物的氧化为NO3还原提 供所需的NADH及还原型Fd。
10.4.1.2谷氨酸脱氢酶
谷氨酸还可在谷氨酸脱氢酶 (glutamate dehydrogenase)催化下，使-酮戊二酸 通过还原性氨基化形成。
谷氨酸脱氢酶存在于所有生物体内，它主 要参与氨基酸的降解代谢。因为谷氨酰 胺合成酶较谷氨酸脱氢酶的Km(NH3)低得 多，因此通常当生物体细胞的氨水平低 时，谷氨酸脱氢酶在与谷氨酰胺合成酶 竞争时不起主要作用。 生物体内谷氨酸主要是通过谷氨酰胺合成 酶和谷氨酸合酶这条双酶途径合成的。
自然界中的不同氮化物经常发生互相转化， 形成一个氮素循环(nitrogen cycle)。 生物界的氮代谢是自然界氮循环的主要 因素。在自然界氮循环中，还包括工业 固氮和大气固氮(如闪电)等把N2 转变为 氨和硝酸盐的过程。
10.2 生物固氮的生物化学
10.2.1 生物固氮的概念
生 物 固 氮 (biological nitrogen fixation)是微生物、藻类和与高等植物 共生的微生物通过自身的固氮酶复合物 把分子氮变成氨的过程。 自然界通过生物固氮的量可达每年1011kg， 约占地球上的固氮量的60％，闪电和紫 外辐射固定氮约15％，其余为工业固氮。
③需要厌氧环境，因氮酶对氧十分敏感， 只有在严格的厌氧条件下才能固氮。因 此，对好气细菌来说必须有严格的防氧 机制以使酶不被氧伤害。 在豆科植物根瘤中，豆血红蛋白起着降低 氧浓度以保护固氮酶的作用。豆血红蛋 白(1eghemoglobin)为一共生合成蛋白， 其珠蛋白部分由植物合成，而血红素基 团由根瘤菌(Rhizohium)合成，其对O2 有很高的亲和力。
共生固氮
10.2.3
固氮酶复合物
生物固氮过程由固氮酶复合物完成。固氮 酶复合物由还原酶和固氮酶组成。 ①还原酶 还原酶也称铁蛋白，提供具有高还原势的 电子，它是由两个相同亚基组成的二聚 体，相对分子质量为64 000，也是一个 铁硫蛋白，含有一个[Fe4S4]簇，每次可 传递一个电子。此外，还有2个ATP结合 位点。
10.2.5
固氮过程的氢代谢
固氮过程常伴随有氢代谢，氢代谢比较复 杂，主要包括以下内容： ①固氮酶的放氢反应 由固氮总反应式可见，固氮酶不仅还原氮， 也还原H+形成出H2，反应需要ATP，CO不 能抑制。 N2+8e+16ATP+16H2O+8H+→2NH3+H2+ 16ADP+16Pi
②氢酶的放氢反应 许多固氮生物均含有氢酶。氢酶也是一种 铁硫蛋白，从巴斯德梭菌分离出的氢酶 含有4个铁原子和4个硫原子，相对分子 质量60000，氢酶催化可逆反应： 2Fdred+2H+=2Fdox+H2 可逆性氢酶既可催化氢的电子传给Fd，作 为还原氮的电子供体，又可催化H+接受 Fdred的电子形成氢，以消除过剩的还原 力，保证细胞生理活动的正常进行。反 应不需ATP，但受CO抑制。
②利用化学能固氮。如好气性固氮菌 (Azotobacter)、贝氏固氮菌(Bciierinckia)及 厌气的巴斯德梭菌(Clostridium pasteurzanum) 和克氏杆菌(Klebsiella)等。
10.2.2.2 共生固氮微生物
如与豆科植物共生固氮的根瘤菌 (Rhizobium)，其专一性强，不同的菌 株只能感染一定的植物，形成共生的根 瘤。 在根瘤中植物为固氮菌提供碳源，而细菌 利用植物提供的能源固氮，为植物提供 氮源，形成一个很好的互利共生体系。
亚硝酸还原酶存在于绿色组织的叶绿体中， 它的直接电子供体是铁氧还蛋白。光合 作用的非环式光合磷酸化可为亚硝酸还 原酶提供还原态的铁氧还蛋白。结合在 铁卟啉衍生物辅基上的亚硝酸离子，可 直接被还原型铁氧还蛋白还原成氨。 在铁氧还蛋白-NADPH还原酶的作用下，也 可将氧化态的铁氧还蛋白转变为还原型。
植物体所需要的氮素营养除了来自生物固氮外， 绝大部分是来自土壤中的氮素，主要有硝酸 盐(NO3)，亚硝酸盐(NO2)以及铵盐(NH4+)。 它们通过根系进入植物细胞。植物最易吸收 硝态氮。 硝态氮必须被还原为氨态氮。才能被植物体利 用。 氮素由硝酸态氮转变成氨的过程称为代谢还原 或成氨作用。 在成氨作用过程中，氮的化合价变化是：
10.4.1.1 谷氨酰胺合成酶
谷氨酰胺合成酶催化谷氨酸和氨反应形成谷氨 酰胺，此酶对NH3有高亲和性，完成反应还需 ATP水解提供的能量。
形成谷氨酰胺既是氨同化的一种方式，又 可消除过高氨浓度带来的毒害，还可作 为氨的供体，用于谷氨酸的合成。
-酮戊二酸来源于TCA的中间产物，还原 剂为NADPH或还原态铁氧还蛋白。催化 此 反 应 的 酶 为 谷 氨 酸 合 酶 (glutamate synthase) ， 与 合 成 酶 (synthetase) 不 同的是，它不需要ATP。 在谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶的共同作 用下，可由1分子氨和1分子-酮戊二酸 净合成1分子谷氨酸。
10 氨基酸生物合成
10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 氮素循环 生物固氮的生物化学 硝酸还原作用 氨的同化 氨基酸的生物合成
10.1 氮素循环
氮素是生物的必需元素之一。在生命活动 中起重要作用的化合物，如蛋白质、核 酸、酶、某些激素和维生素、叶绿素和 血红素等均含有氮元素。因此，在动、 植物和微生物的生命活动中氮素起着极 其重要的作用，整个生物界在生长发育 的全部过程中都进行着氮素代谢。
根据还原反应中电子供体的不同可分为两 个类型。
10.3.1.1 Fd-硝酸还原酶
此类硝酸还原酶以铁氧还蛋白作为电子供 体。还原过程可简单表示为： NO3+2Fdred+2H+→NO2+Fdox+H2O 此酶存在于蓝绿藻、光合细菌和化能合成 细菌中。从组囊藻属(Anacystis)分离 出的硝酸还原酶是一种含钼的蛋白质， 只有一条多肽链，相对分子质量为 75000，不含黄素蛋白和细胞色素。
③吸氢酶催化H2的氧化作用 吸氢酶能以O2作为末端正电子受体进行羟 基化反应，产物为H2O，并伴有ATP生成， 反应受KCN抑制。氢的氧化不但提供了 能量，而且由于消耗了O2 ，保护了固氮 酶。同时由于固氮酶形成的H2对其有抑 制作用，吸氢酶的吸氢还可以防止对固 氮酶的抑制作用。
10.3
硝酸还原作用
10.3.2
亚硝酸还原酶
在植物细胞内，硝酸还原生成的亚硝酸在 亚硝酸还原酶的催化下，进一步还原成 氨： NO2+7H++6e→NH3+2H2O 从高等植物和绿藻中分离出的亚硝酸还原 酶是一条多肽链，相对分子质量约为 60000～70000，它的辅基是一种铁卟啉 的衍生物，分子中还有一个Fe4S4中心， 起电子传递作用。
②固氮酶 固氮酶也称钼铁蛋白，利用还原酶提供的高 能电子还原N2 成NH4+ 。它是由2个亚基和2 个亚基组成的四聚体，相对分子质量为 220000。其氧化还原中心含有2个钼原子、 32个铁原子和相应数目的酸不稳定硫。 由还原酶向固氮酶的电子传递与还原酶上的 ATP水解相偶联，由N2 到NH3 的还原过程需6 个电子： N2+6e+6H+=2NH3
在N2 还原过程中还形成H2 ，因此，N2 固定 过程的反应为： N2+8 e+8H+→NH3+H2 8个高能电子来自Fdred ，Fdred 的电子来自 PSI或呼吸电子传递链。
生物固氮的总反应为： N2+8e+16ATP+16H2O+8H+→2NH3+H2+
16ADP+16Pi 由反应式可见固氮过程消耗能量非常多，共有 16个ATP被水解。 10.2.4 生物固氮所需的条件 固氮酶催化的反应需要满足： ①充分的ATP供应。豌豆根系固氮细菌消耗植 株ATP产量的近1/5； ②需要很强的还原剂。高还原势电子来自 Fdred，其是光合链的电子载体。 Fd的再生或 来自光合作用，或来自氧化过程；
氮气中的N≡N键十分稳定，1910年Fritz Haber提出的作用条件在工业氮肥生产 中一直沿用至今。500℃高温和30MPa条 件下，用铁做催化剂使H2还原N2成氨。 N2+3H2＝2NH3 固氮能量耗费大，而且会污染环境，因此 大力发展生物固氮对增加农作物氮肥来 源有重大意义。
生物固氮是在常温常压条件下，在生物体 内由酶催化进行。 目前国内外对生物固氮的生化过程及机理 正在积极开展研究，在了解了固氮机理 之后，就可以人工模拟，以节省能源， 减少污染，开拓作物肥源。可以通过基 因工程使非固氮生物转化为固氮生物。
10.2.2.1 自生固氮微生物 (diazatrophs)
自生固氮微生物是指独立生活时能使气态 氮固定为NH3的少数微生物。 固氮有两种方式： ①利用光能还原氮气。如鱼腥藻 (Anabaena)、念球藻(Nostoc)，固氮过 程与还原CO2类似。