固氮作用及其化学模拟.ppt

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1、第七章固氮作用及其化学模拟第七章固氮作用及其化学模拟 第一节第一节 生态平衡中的氮循环生态平衡中的氮循环 第三节第三节 双氮过渡金属配合物双氮过渡金属配合物 第四节第四节 固氮酶模拟研究固氮酶模拟研究 第二节第二节 氮循酶氮循酶GlobalEnergyConversionsMicrobesRuletheEarth!生态平衡生态平衡 生态平衡在生态系统内部，生产者、消费生态平衡在生态系统内部，生产者、消费者、分解者和非生物环境之间，在一定时间内者、分解者和非生物环境之间，在一定时间内保持能量与物质输入、输出动态的相对稳定状保持能量与物质输入、输出动态的相对稳定状态。态。第一节第一节 氮循环的生物

2、无机化学氮循环的生物无机化学固氮作用与生物固氮固氮作用与生物固氮每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90%左右，左右，生物固氮在地球的氮循环中具有十分重要的作用。生物固氮在地球的氮循环中具有十分重要的作用。生物固氮生物固氮工业固氮工业固氮高能固氮高能固氮(电离固氮）电离固氮）固固氮氮作作用用大气中的大气中的N2 NH3固氮微生物固氮微生物大气中的大气中的N2 NH3高温、高压高温、高压化学催化剂化学催化剂大气中的大气中的N2 NH3N2 H2ONH3+HNO3闪电闪电棒槌形、棒槌形、T字形、字形、Y字形字形固氮微生物的种类固氮微生物的种类共生固氮微生物共生固

3、氮微生物自生固氮微生物自生固氮微生物豆科植物有没豆科植物有没有固氮能力？有固氮能力？小麦、水稻有没小麦、水稻有没有固氮能力？有固氮能力？固氮微生物固氮微生物主要是固氮细菌、主要是固氮细菌、还有固氮放线菌和固氮蓝藻还有固氮放线菌和固氮蓝藻根瘤菌根瘤菌共生固氮微生物的共生固氮微生物的代表代表“8”字形字形圆褐固氮菌圆褐固氮菌自生固氮微生物自生固氮微生物的代表的代表根据固氮能力时的状态根据固氮能力时的状态共生固氮微生物共生固氮微生物根瘤菌根瘤菌自生固氮微生物自生固氮微生物圆褐固氮菌圆褐固氮菌2.只有侵入到特定种类的豆科植只有侵入到特定种类的豆科植物的根内时才具有固氮能力。物的根内时才具有固氮能力。1

4、.土壤中独立存在时有无固氮能力？土壤中独立存在时有无固氮能力？根瘤菌根瘤菌豆科植物豆科植物3.根内根细胞内？根内根细胞内？根内根内根细胞内根细胞内NH3有机物有机物4.互利共生互利共生3080同化作用的方式？同化作用的方式？5.新陈代谢的类型：异养需氧型新陈代谢的类型：异养需氧型异养型异养型2.新陈代谢的类型：新陈代谢的类型：异养需氧型异养需氧型3.分泌生长素，促分泌生长素，促进植物的生长和果进植物的生长和果实的发育。实的发育。1.自生自生自养自养大气中的大气中的大气中的大气中的N N N N2 2 2 2尿素及动尿素及动尿素及动尿素及动植物遗体植物遗体植物遗体植物遗体NONONONO3 3

5、3 3-土壤中的微生物土壤中的微生物土壤中的微生物土壤中的微生物NHNHNHNH3 3 3 3NONONONO3 3 3 3-氮素化肥氮素化肥氮素化肥氮素化肥生物固氮生物固氮三、生物固氮的意义（在氮循环中的作用）三、生物固氮的意义（在氮循环中的作用）总结总结空空气气中中的的氮氮气气大气闪大气闪电固氮电固氮人工合人工合成固氮成固氮生物生物固氮固氮土壤中土壤中（NH4+,NO3-)生产者生产者各级消费者各级消费者生物体生物体组成组成含氮部分含氮部分含氮含氮废物废物交换吸交换吸附主动附主动运输运输消化作用消化作用吸收作用吸收作用合成作用合成作用脱氨基脱氨基作用作用微生物的微生物的分解作用分解作用通过

6、泌尿通过泌尿系统排出系统排出通过捕食通过捕食同同化化作作用用反硝化反硝化作用作用空空气气中中的的氮氮气气大气闪大气闪电固氮电固氮人工合人工合成固氮成固氮生物生物固氮固氮空空气气中中的的氮氮气气大气闪大气闪电固氮电固氮人工合人工合成固氮成固氮反硝化反硝化作用作用生物生物固氮固氮空空气气中中的的氮氮气气大气闪大气闪电固氮电固氮人工合人工合成固氮成固氮生物生物固氮固氮空空气气中中的的氮氮气气大气闪大气闪电固氮电固氮人工合人工合成固氮成固氮生产者生产者生物生物固氮固氮空空气气中中的的氮氮气气大气闪大气闪电固氮电固氮人工合人工合成固氮成固氮通过捕食通过捕食生产者生产者生物生物固氮固氮空空气气中中的的氮氮

7、气气大气闪大气闪电固氮电固氮人工合人工合成固氮成固氮通过捕食通过捕食生产者生产者生物生物固氮固氮空空气气中中的的氮氮气气大气闪大气闪电固氮电固氮人工合人工合成固氮成固氮固固氮氮N2 NH3工厂工厂N2 NH3闪电等闪电等N2 NH3固氮微生物固氮微生物工业固氮工业固氮高能固氮高能固氮生物固氮生物固氮第二节第二节 固氮酶固氮酶每年生物固氮约占每年生物固氮约占60%，人工生产氮肥，人工生产氮肥只占只占25%，光辐射转化的占，光辐射转化的占15%。v组成固氮酶的两种蛋白质，钼铁蛋白和组成固氮酶的两种蛋白质，钼铁蛋白和铁蛋白，对氧极端敏感，一旦遇氧就很铁蛋白，对氧极端敏感，一旦遇氧就很快导致固氮酶的失

8、活，而多数的固氮菌快导致固氮酶的失活，而多数的固氮菌都是好氧菌，它们要利用氧气进行呼吸都是好氧菌，它们要利用氧气进行呼吸和产生能量。和产生能量。v固氮菌在进化过程中，发展出多种机制固氮菌在进化过程中，发展出多种机制来解决既需氧又防止氧对固氮酶的操作来解决既需氧又防止氧对固氮酶的操作损伤的矛盾。损伤的矛盾。生物固氮原理简介生物固氮原理简介一、固氮微生物一、固氮微生物 微生物学是生物学的分支学科之一，它是微生物学是生物学的分支学科之一，它是研究各类微小生物的形态、生理、生物化学、研究各类微小生物的形态、生理、生物化学、分类和生态的科学。分类和生态的科学。细菌细菌放线菌放线菌真菌真菌病毒病毒藻类藻类

9、原生动物原生动物酿酒酿酒制酱制酱造醋造醋腌菜腌菜发现嫌气性的自生固氮细菌，发现嫌气性的自生固氮细菌，并运用无机培养基、选择性培养并运用无机培养基、选择性培养基以及富集培养等原理和方法，基以及富集培养等原理和方法，研究土壤细菌各个生理类群的生研究土壤细菌各个生理类群的生命活动，揭示土壤微生物参与土命活动，揭示土壤微生物参与土壤物质转化的各种作用。壤物质转化的各种作用。法国微生物学家维诺格拉茨基法国微生物学家维诺格拉茨基1887年发现硫磺细菌年发现硫磺细菌1890年发现硝化细菌年发现硝化细菌论证了土壤中硫化作用和硝化作用的微生论证了土壤中硫化作用和硝化作用的微生物学过程以及这些细菌的化能营养特性。

10、物学过程以及这些细菌的化能营养特性。土壤微生物学土壤微生物学生物固氮作用生物固氮作用v某些微生物和藻类通过其体内固氮酶某些微生物和藻类通过其体内固氮酶系的作用将分子氮转变为氨的作用。系的作用将分子氮转变为氨的作用。全球每年的固氮量为全球每年的固氮量为92106吨。吨。生物固氮生物固氮54%工业固氮工业固氮30%固固氮氮微微生生物物的的种种类类形态：形态：棒槌形棒槌形结构：结构：原核单细胞原核单细胞形态：形态：杆菌或短杆菌杆菌或短杆菌生理作用：生理作用：固氮；固氮；分泌生长分泌生长素，促进植株生长和果实发育。素，促进植株生长和果实发育。结构：结构：原核单细胞原核单细胞共生固氮微生物共生固氮微生物

11、自生固氮微生物自生固氮微生物圆褐固氮菌圆褐固氮菌圆褐固氮菌圆褐固氮菌生理作用：生理作用：需氧异养；需氧异养；互利共生互利共生（具种属特异性）；（具种属特异性）；侵入豆科作物根侵入豆科作物根部后不断繁殖可刺激根薄壁细胞分裂、部后不断繁殖可刺激根薄壁细胞分裂、组织膨大成根瘤。组织膨大成根瘤。v固氮微生物曾经是固氮作用研究的一个重要方向。固氮微生物曾经是固氮作用研究的一个重要方向。v自生固氮细菌是能独立固氮的微生物。在这个类群自生固氮细菌是能独立固氮的微生物。在这个类群中，一部分是需氧微生物，如固氮菌。巴氏芽孢梭中，一部分是需氧微生物，如固氮菌。巴氏芽孢梭菌等为数不少的微生物，是在缺氧条件下能够固氮

12、菌等为数不少的微生物，是在缺氧条件下能够固氮的厌氧细菌。的厌氧细菌。v共生固氮微生物独立生存时没有固氮作用，当它们共生固氮微生物独立生存时没有固氮作用，当它们浸人宿主植物之后，从宿主植物获得碳源与能源便浸人宿主植物之后，从宿主植物获得碳源与能源便可固氮。可固氮。固氮微生物固氮微生物共生固氮微生物共生固氮微生物自生固氮微生物自生固氮微生物根瘤的形成过程（幼苗期就开始）根瘤的形成过程（幼苗期就开始）共生固氮微生物共生固氮微生物自生固氮微生物自生固氮微生物指在土壤中能够独立进行固氮的微生物。指在土壤中能够独立进行固氮的微生物。多数是自生固氮菌（细菌）多数是自生固氮菌（细菌）概念概念杆菌、短杆菌，单杆

13、菌、短杆菌，单生或对生。生或对生。“8”字形字形排列，外面有荚膜。排列，外面有荚膜。自生固氮菌特点及常见类型自生固氮菌特点及常见类型常见类型：圆褐固氮菌（应用最多）常见类型：圆褐固氮菌（应用最多）联合固氮联合固氮v有些固氮微生物如固氮螺菌、雀有些固氮微生物如固氮螺菌、雀稗固氮菌等，生活在玉米、雀稗、稗固氮菌等，生活在玉米、雀稗、水稻和甘蔗等植物根内的皮层细水稻和甘蔗等植物根内的皮层细胞之间。胞之间。v这些固氮微生物和共生的植物之这些固氮微生物和共生的植物之间不形成根瘤那样的特殊结构。间不形成根瘤那样的特殊结构。v这些微生物还能够自行固氮，介这些微生物还能够自行固氮，介于自生固氮和共生固氮之间。

14、于自生固氮和共生固氮之间。根瘤菌根瘤菌互接种族互接种族v根据每种根瘤菌只能在特定的一种或若干根据每种根瘤菌只能在特定的一种或若干种豆科植物上结瘤的现象，人们把根瘤菌种豆科植物上结瘤的现象，人们把根瘤菌及其豆科寄主分成不同的族。及其豆科寄主分成不同的族。v豆科植物的根毛能够分泌一类特殊的蛋白豆科植物的根毛能够分泌一类特殊的蛋白质，根瘤菌细胞的表面存在着多糖物质，质，根瘤菌细胞的表面存在着多糖物质，只有同族豆科植物根毛分泌的蛋白质与同只有同族豆科植物根毛分泌的蛋白质与同族根瘤菌细胞表面的多糖物质才能产生。族根瘤菌细胞表面的多糖物质才能产生。特异性结合特异性结合 固氮酶的种类v生物固氮一般采用三种系

15、统：钼固氮酶、钒固氮酶和只含铁的铁固氮酶。这三类固氮酶的组分如下表所示。项目钼固氮酶钒固氮酶铁固氮酶相对分子质量Mr230000210000216000亚基2222d222(d2)亚基Mr56000,59000 50000,55000,1300050000,58000,-金属-Mo20.10.1V-20.1Fe302124不同固氮酶的组分二、固氮酶的作用机理二、固氮酶的作用机理Fe-蛋白还原剂e-MgATPMgADP+PiMoFe-蛋白e-2H+H26H+N22NH3 人们对固氮酶的作用机理进行了大量研究，总结出来的机理如图所示。固氮酶的固氮机理示意图v目前采用的工业固氮催化剂必须在高温高目前

16、采用的工业固氮催化剂必须在高温高压下才能把氮和氢合成氨。压下才能把氮和氢合成氨。v固氮微生物中的固氮酶则能在常温常压下固氮微生物中的固氮酶则能在常温常压下高效地把氮转化为氨，为地球上所有生物高效地把氮转化为氨，为地球上所有生物提供大量的固定氮。提供大量的固定氮。v据统计，每年生物固氮约占据统计，每年生物固氮约占60%，人工生，人工生产氮肥只占产氮肥只占25%，光辐射转化的占，光辐射转化的占15%。v化学模拟生物固氮研究吸引了很多科学家化学模拟生物固氮研究吸引了很多科学家的注意。合成具有类似固氮酶结构和功能的注意。合成具有类似固氮酶结构和功能的高效催化剂是这个领域的重要课题。的高效催化剂是这个领

17、域的重要课题。研究固氮酶意义研究固氮酶意义铁蛋白铁蛋白铁蛋白铁蛋白 铁钼蛋白铁钼蛋白铁钼蛋白铁钼蛋白e+H+ATPADP+PiN2固氮酶固氮酶C2H2NH3C2H4生物固氮过程生物固氮过程固氮过程固氮过程v固氮酶由铁蛋白和钼铁蛋固氮酶由铁蛋白和钼铁蛋白这二种相对独立的、相白这二种相对独立的、相互分离的纯蛋白组成。互分离的纯蛋白组成。v铁蛋白是一种依赖于铁蛋白是一种依赖于ATP供给能量的电子传递体，供给能量的电子传递体，具有把电子传递给钼铁蛋具有把电子传递给钼铁蛋白的功能白的功能v钼铁蛋白是结合底物分子钼铁蛋白是结合底物分子和催化底物还原的部位和催化底物还原的部位。固氮酶的组成和结构固氮酶的组成

18、和结构固氮酶二种成分蛋白固氮酶二种成分蛋白的结构示意图的结构示意图钼铁蛋白钼铁蛋白P P簇对的结构簇对的结构“Bottomview”ofdinitrogenasereductaseshowingtwoMoO42-ions,ADP,andthe4Fe-4Scluster.MoO42-ADP4Fe-4S固氮还原酶俯视图ComplexofdinitrogenasereductaseanddinitrogenasefromA.Vinelandii维氏固氮菌维氏固氮菌研究表明从铁蛋白到钼铁蛋白的电子转移与研究表明从铁蛋白到钼铁蛋白的电子转移与ATP水水解反应是直接耦联的，离开了解反应是直接耦联的，离开了

19、Mg-ATP便不能进行。便不能进行。电子传递机制电子传递机制(活体内活体内)铁氧还蛋白铁氧还蛋白 或黄素蛋白或黄素蛋白(活体外活体外)Na)Na2 2S S2 2O O4 4铁蛋白铁蛋白钼铁蛋白钼铁蛋白 底物底物固氮酶的作用机理，包括电子传递机制、氮分子的固氮酶的作用机理，包括电子传递机制、氮分子的键合、活化和还原等。目前对于电子传递机制已有键合、活化和还原等。目前对于电子传递机制已有比较明确的了解，但是，对于氮分子是在固氮酶的比较明确的了解，但是，对于氮分子是在固氮酶的什么部位结合，氮分子是如何键合、活化和还原等什么部位结合，氮分子是如何键合、活化和还原等币要问题上仍未取得明晰的结论。币要问

20、题上仍未取得明晰的结论。固氮酶作用机理研究固氮酶作用机理研究复合物生成FeP(MgATP)2+MoFeP FeP(MgATP)2MoFePK1K-1FePox(MgATP)2+MoFeP FePox(MgATP,Pi)2MoFePK3K-3核苷置换 K4还原作用复合物解离K2ATP水解电子转移能量传导磷酸根释放固氮酶中铁蛋白循环图固氮酶中铁蛋白循环 底物的结合和还原底物的结合和还原 铁钼辅基是底物的结合铁钼辅基是底物的结合部位。从铁钼辅基铁配位不部位。从铁钼辅基铁配位不饱和的事实出发，一般认为，饱和的事实出发，一般认为，底物是通过与只角形配位的底物是通过与只角形配位的铁配位而结合的。铁配位而结

21、合的。N2与铁钼辅基结合与铁钼辅基结合的二种可能模式的二种可能模式 自从铁钼辅基的结构数据发表后，已有对自从铁钼辅基的结构数据发表后，已有对N N2 2与与铁钼辅基结合方式及位置的量子化学计算研究的报铁钼辅基结合方式及位置的量子化学计算研究的报道，认为道，认为N N2 2可能是通过进人铁钼辅基两个欠完整立方可能是通过进人铁钼辅基两个欠完整立方烷间的空腔取代弱相互作用的烷间的空腔取代弱相互作用的FeFeFeFe键形成键形成多重多重FeFeFeFe键而与铁钼辅基结合的键而与铁钼辅基结合的 。固氮酶催化的反应固氮酶催化的反应来源于多种多样固氮微生物的固氮酶，能催化大来源于多种多样固氮微生物的固氮酶，

22、能催化大气中的气中的N2还原为还原为NH3，其定量反应方程式为：，其定量反应方程式为：N2+8H+8e+16MgATP 2NH3+H2+16MgADP+16Pi 铁钼辅基模型化合物的研究铁钼辅基模型化合物的研究在在20世纪世纪70年代起，化学家已了解到固氮酶活年代起，化学家已了解到固氮酶活性中心与性中心与Mo/Fe/和和Fe/S两种原子簇的本性密切相关。两种原子簇的本性密切相关。Hodgson提出的铁钼辅基的两种结构模式提出的铁钼辅基的两种结构模式 第三节双氮过渡金属配合物第三节双氮过渡金属配合物 1965年等在常温常压下合成了第一个年等在常温常压下合成了第一个双氮过渡金属配合物，氯化五氨双氮

23、合钌双氮过渡金属配合物，氯化五氨双氮合钌(II)Ru(NH3)5(N2)Cl2。双氮配合物。双氮配合物合成的成功，改变长期以来氮分子不活泼合成的成功，改变长期以来氮分子不活泼的观念，提供了一种活化氮分子的途径。的观念，提供了一种活化氮分子的途径。通过研究双氮配合物获得生物固氮信息的通过研究双氮配合物获得生物固氮信息的希望激励着科学家深人探索更多例证。目希望激励着科学家深人探索更多例证。目前已合成数百种双氮配合物。前已合成数百种双氮配合物。研究表明从铁蛋白到钼铁蛋白的电子转研究表明从铁蛋白到钼铁蛋白的电子转移与移与ATP水解反应是直接耦联的，离开水解反应是直接耦联的，离开了了MgATP便不能进行

24、。便不能进行。能与氮分子配位的过渡金属能与氮分子配位的过渡金属TiVCrMnFeCoNiZrNbMoTcRuRhPdTaWReOsIrPt 氮分子的不活泼性氮分子的不活泼性N2(1g)2(1u)2(2g)2(2u)2(1u)4(3g)2第一电离势是第一电离势是+15.6eV(约约1500J/mol)。迄今合成的双氮配合物中，氮分子采取端迄今合成的双氮配合物中，氮分子采取端基配位和侧基配位两种方式成键。绝大部分双基配位和侧基配位两种方式成键。绝大部分双氮配合物采用端基配位。氮配合物采用端基配位。CoH(N2)(PPh3)3、(NH3)5Ru2(N2)4+、(C6H5Li)6Ni2N2(Et2O)

25、22的结构的结构 氮分子配位活化氮分子配位活化 在端基配位的双氮过渡金属配合物中，氮分子在端基配位的双氮过渡金属配合物中，氮分子经过适当的经过适当的*分子轨道与金属分子轨道与金属d轨道重叠，按照氮分轨道重叠，按照氮分子子金属金属成键及金属成键及金属氮分子氮分子成键方式，从末端成键方式，从末端与金属结合。侧基配位的与金属结合。侧基配位的键形成降低了两个氮原子键形成降低了两个氮原子之间的电子云密度，反馈之间的电子云密度，反馈键更削弱了两个氮原子的键更削弱了两个氮原子的结合强度，这两种作用都促使结合强度，这两种作用都促使N2活化。活化。端基配位与侧基配位的双氮过渡金属配合物的成键方式端基配位与侧基配

26、位的双氮过渡金属配合物的成键方式 配位氮分子的反应活性配位氮分子的反应活性 1975年年J.Chatt报导单核报导单核W0双氮配合物的双氮配合物的N2通通过二甲基苯基膦过二甲基苯基膦(PMe2Ph)可以质子生成可以质子生成NH3。Mo和和W的盐类与的盐类与diphos(Ph2PCH2CH2PPh2)在四在四氢呋喃中生成的单核双氮配合物，经萘钠或格林试剂氢呋喃中生成的单核双氮配合物，经萘钠或格林试剂还原，在酸性介质中可产生氨。还原，在酸性介质中可产生氨。W(N2)(PMe2Ph)42NH3+N2+W()化合物化合物H2SO4/CH3OH20W(N2)2(diphos)22NH3+N2+W()化合

27、物化合物H+第四节固氮酶模拟研究第四节固氮酶模拟研究目前作为固氮酶模型的钼配合物有四类目前作为固氮酶模型的钼配合物有四类钼铁硫原子簇钼铁硫原子簇钼硫醇钼硫醇 (包括钼半胱氨酸体系包括钼半胱氨酸体系)钼二硫代氨基甲酸钼二硫代氨基甲酸钼氰负离子钼氰负离子一种立方烷型一种立方烷型Mo-Fe-S簇合物的结构示意图簇合物的结构示意图两种线型两种线型Mo-Fe-S簇合物的结构示意图簇合物的结构示意图反应性研究反应性研究 把各种组成和结构不同的钼铁硫簇合物进把各种组成和结构不同的钼铁硫簇合物进行生物重组活性研究，可能提供有关固氮酶活行生物重组活性研究，可能提供有关固氮酶活性中心组成、结构和作用机理方面的信息。性中心组成、结构和作用机理方面的信息。四价钼具有四价钼具有d d2 2电子构型，其配合物又往往是电子构型，其配合物又往往是配位不饱和的，能和炔类或偶氮化合物以侧基配位不饱和的，能和炔类或偶氮化合物以侧基进行氧化加成。进行氧化加成。Mo2O4(Cys)2离解的产物离解的产物