光合细菌产氢因子的研究进展

光合细菌在固氮的同时释放氢气。产氢与固氮是同步进行的。固氮酶与氢酶共同影响光合细菌的产氢活性,而外源生理条件又影响着固氮酶与氢酶的活性,其中有机碳阻抑吸氢酶表达,促进产氢;氨则抑制固氮活性而降低产氢量;氧气的存在使固氮酶与氢酶都失活,从而抑制放氢反应的进行。     

光与氨对Rhodopseudomonas capsulata固氮活性的调节

光强是调节氨瞬间抑制Rps.capsulata光合固氮活性的一个因子。与弱光(500 lx)比较,强光(30000 lx)对固氮活性氨抑的启动推迟。被氨抑制了的固氮活性在强光下较在弱光下提前解抑。经光合作用解联剂处理的菌体,强光拮抗固氮活性氨抑的现象消失。菌体ATP库水平分析表明:在氨关闭固氮活性时,库量升高。氨的同化被阻抑时,氨对光合固氮的瞬间抑制消失,菌体ATP库保持恒定。对光强与氨抑制固氮活性之间可能涉及的机制进行了探讨。     

谷氨酰胺合成酶参与Rhodopseudomonas capsulata固氮活性的氨瞬间调节

Rhodopseudomonas capsulata固氮酶活性对氨的敏感性及谷氨酰胺合成酶(GS)活性的变化在很大程度上受菌龄和氮素营养的影响。对数生长后期,固氮酶活性对氨最敏感,GS也处于高水平。限量氨(0.2mM)培养的菌体,其固氮酶活性的氨敏显著减弱,与谷氨酸(7.5 mM)培养的菌体相比,前者的GS活性较后者低50％左右。来自这两种氮源的GS本身对氨的敏感性也不一样,谷氨酸培养的其敏感性较限量氨培养的为低。此外,GS活性与氨关闭固氮酶活性的程度之间呈正相关。而与关闭的持续时间呈负相关。GS活性被抑制后,氨同化受阻,固氮酶活性的氨敏现象消失,基于上述结果,可以认为活性GS参与氨瞬间凋节光合细菌固氮酶的活性。     

光合细菌Rhodopseudomonas capsulata谷氨酰胺合成酶的某些特性

研究了荚膜红假单孢光合细菌菌株N-3谷氨酰胺合成酶(GS)的腺苷态/脱腺苷态间互相转换和调节方式,对十六烷基三甲基溴化铵添加后的稳定,以及不同氮源对酶量的变化和腺苷态的影响。在光暗的调节上,光强在500～50001x范围内,此酶的活性几乎处于同一水平,其腺苷态和脱腺苷态之比亦不发生显著变化,但一经黑暗处理,GS活性迅速下降,相似于固氮酶活性受光、暗的调节。借助于谷氨酰胺合成酶的抑制剂MSX加入反应系统,消除了氨对固氮酶活性的瞬间抑制,但消除不了暗对固氮酶活性的瞬间抑制,表明谷氨酰胺合成酶参与了氨对固氮酶活性的瞬间调节,但并不参与固氮酶活性的光,暗瞬间调节。     

蓝藻Anabaena 7120固氮的光调节

蓝藻Anabaena 7120固氮是一个依赖于光的过程,暗中乙炔还原活性检测不出来。预先以强光、弱光或黑暗对蓝藻进行短期处理,也会引起其固氮活性呈现相应的高低差异。在蓝藻固氮反应中加入NH_4Cl、KNO_3或尿素等结合态氮时,乙炔还原活性即受到抑制,弱光加剧这种抑制,受尿素抑制的蓝藻固氮活性恢复时,强光下比弱光下快。一系列光合抑制剂对蓝藻固氮活性都有抑制作用,弱光下此种抑制加剧。尿素和此类抑制剂对蓝藻固氮活性呈现协同性抑制,其效应和弱光下尿素对固氮抑制加剧是一致的。受尿素抑制的蓝藻固氮活性恢复过程中,加入光合抑制剂的恢复慢,而且只能维持在一个很低的水平上。     

氢酶与固氮酶在细菌光合固氮中的联系

研究了混养型光合细菌Rhodopseudomonas capsulata N-3 氢酶与固氮酶之间的联系,观察到:1.以苹果酸(30毫克分子)为碳源,谷氨酸(5毫克分子)为氮源,营光合异养生长的菌体由固氮酶催化释放出大量的分子氢,光合放氢的过程完全依赖于光和外加电子供体,NH_4~ 对这一过程有明显抑制作用。2.营光合异养生长的光合细菌具活跃的氢酶,是膜结合态,能以多种生理活性物质,如NADP,反丁烯二酸,硝酸盐,氧及一些氧化还原染料为受体,吸取分子氢,这一过程显著地被NH_4~ 所促进。3.氢酶催化分子氢,支持光合固氮活性,这一固氮活性对氧的酶感性显著下降。4.当有机底物浓度不足时,分子氢所支持的固氮活性更为有效,有机底物浓度处于过量时,分子氢不再支持固氮。5.乙炔对氢酶活性具不可逆的抑止作用,氢酶被抑止后,固氮酶所催化的光合放氢显著剧增。 基于上述结果,对氢酶和固氮酶在细菌光合固氮中相互联系及其对光合细菌光能异养和光能自养两种生长方式间的转换的可能作用进行了讨论。     

棕色固氮菌中固氮酶的氧钝化及其保护

超声破碎得到的棕色固氮菌提取液中,铁蛋白严重缺乏。外加部分纯化的铁蛋白可以使提取液的固氮活性成倍增加。外加的铁蛋白与提取液中某些成份结合,可以经高速离心分离,其抗氧能力随之大为提高。提取液中固氮活性的抗氧能力有赖于Mg~(++)的存在,在有氧条件下提取液通过Sephadex G-25柱后立即失活,但如果在平衡和洗脱缓冲液中补以0.01M MgCl_2,固氮活性几乎可完整保存。菌体破碎时,外加适量Mg~(++),不但可以提高提取液的固氮活性,而且抗氧能力还能进一步提高。     

紫色非硫光合细菌与大豆根瘤菌固氮作用的协同效应

从东北地区水稻及大豆根际分离出的两株紫色非硫光合细菌(球形红假单胞菌菌株N8611和胶质红假单胞菌菌株N84),分别与快生型大豆根瘤菌QB113以及慢生型大豆根瘤菌B16—11C共同培养时,其固氮比活与它们的纯培养菌相比有显著提高,说明这两类菌的固氮活性具有协同效应。两株光合细菌及其胞外组分,以及光合细菌与大豆根瘤菌共同培养时分离出的胞外组分,能显著加强由上述根瘤菌所形成根瘤的固氮活性。可以初步肯定,上述协同效应的原因之一是光合细菌胞外组分的刺激作用。     

固氮螺菌(Azospirillum.brasilenseYu-62)中固氮酶活性的氨关闭现象

固氮螺菌(A.brasilense)Yu-62在以谷氨酸为氮源好气液体培养条件下,氨离子使固氮酶迅速失活,Western blotting实验证明这种失活的分子基础是固氮酶铁蛋白一亚基被修饰.测定加NH_4~ 后细胞内α-ketoglutarte和glutamine的含量.α-ketoglutarate/glutamine比值在加NH_4~ 后瞬间下降然后上升,而细胞内ATP/ADP的比值没有明显变化.谷氨酸合成酶的抑制剂azaserine使固氮酶失活.Western blotting实验表明这种失活的分子基础也是固氮酶铁蛋白一亚基被修饰.测定加azaserine后细胞内α-ketoglutarate及glutamine比值的变化以及外源α-ketoglutarate及glutamine对细胞固氮活性的影响,表明细胞内一些小分子化合物的变化可能是作用于固氮酶活性氨关闭的重要因素.     

固氮螺菌(Azospirillum.brasilenseYu-62)中固氮酶活性的氨关闭现象

固氮螺菌(A.brasilense)Yu-62在以谷氨酸为氮源好气液体培养条件下,氨离子使固氮酶迅速失活,Western blotting实验证明这种失活的分子基础是固氮酶铁蛋白一亚基被修饰.测定加NH_4^+后细胞内α-ketoglutarte和glutamine的含量.α-ketoglutarate/glutamine比值在加NH_4^+后瞬间下降然后上升,而细胞内ATP/ADP的比值没有明显变化.谷氨酸合成酶的抑制剂azaserine使固氮酶失活.Western blotting实验表明这种失活的分子基础也是固氮酶铁蛋白一亚基被修饰.测定加azaserine后细胞内α-ketoglutarate及glutamine比值的变化以及外源α-ketoglutarate及glutamine对细胞固氮活性的影响,表明细胞内一些小分子化合物的变化可能是作用于固氮酶活性氨关闭的重要因素.     

在光、暗及高温下氧与鱼腥藻7120固氮的关系

鱼腥藻7120从光转暗不同时间后，照光检测固氮活性的损失速度与氧量直接相关。在黑暗12小时后，复光时的活性恢复被氧霉素、氯化铵或38—40℃空气氧所阻遏，黑暗中生成的酶易被氧失活。在光下和黑暗中短时暴露于不同氧压时，黑暗中氧引起固氮活性的下降比光下快得多。抗坏血酸大大减少高氧引起的失活，高温可能增加固氮酶活性对氧的敏感性。在光下100％O2处理120分钟，活性没有进一步下降，也没有活性的恢复，没有观察到构型保护。讨论了环境条件与氧保护的关系。     

固氮螺菌(Azospirillum.brasilenseYu-62)中固氮酶活性的氨关闭现象

固氮螺菌(A.brasilense)Yu-62在以谷氨酸为氮源好气液体培养条件下,氨离子使固氮酶迅速失活,Western blotting实验证明这种失活的分子基础是固氮酶铁蛋白一亚基被修饰.测定加NH_4~+后细胞内α-ketoglutarte和glutamine的含量.α-ketoglutarate/glutamine比值在加NH_4~+后瞬间下降然后上升,而细胞内ATP/ADP的比值没有明显变化.谷氨酸合成酶的抑制剂azaserine使固氮酶失活.Western blotting实验表明这种失活的分子基础也是固氮酶铁蛋白一亚基被修饰.测定加azaserine后细胞内α-ketoglutarate及glutamine比值的变化以及外源α-ketoglutarate及glutamine对细胞固氮活性的影响,表明细胞内一些小分子化合物的变化可能是作用于固氮酶活性氨关闭的重要因素.     

光合细菌Rhodopseudomoaos capsulata固氮酶合成的光促诱导

紫色非硫光合细菌是兼性厌氧及兼性光合生长的细菌,利用这一可塑的生长特性,研究了光对Rhodopseudomonas capsulata的固氮酶合成的影响,结果表明:1.暗生长的无固氮活性的静止细胞一经照光其固氮酶即以高速率形成,一旦光照中断,固氮酶的合成也立即中止,氯霉素的抑制试验表明,这种光促诱导的固氮酶出现是酶蛋白的重新合成,而不是预先形成的系统在光下的激活。2.外源性电子供体如苹果酸、分子氢等对光促诱导的固氨酶合成有促进作用。3.固氮酶合成与细菌光合器的形成是彼此独立的,在黑暗中细菌光合膜可以形成,而固氮酶却不能形成。4.暗处好氧生长的光合细菌在同一光强下诱导固氮酶,细菌叶绿素含量高的菌体,其固氮酶合成的速率也高。5.固氮酶的诱导合成可被电子传递抑制剂或磷酸化解联剂完全抑制。基于上述结果,对光合细菌固氮酶的光促合成的可能机理作了讨论。     

固氮螺菌中固氮酶活性的厌氧关闭与细胞内ATP／ADP比值的关系

本文研究了巴西固氮螺菌(Azospirillum brasilense)“玉-62”在以谷氨酸为氮源的好气液体培养条件下固氮酶活性厌氧关闭的机制。ATP 合成的解偶联剂 CCCP 使固氮酶迅速失活,Western blotting 实验证明这种失活的分子基础是固氮酶铁蛋白—亚基被修饰。用萤光素-萤光素酶法测定表明厌氧处理使细胞内 ATP/ADP 比值迅速下降,固氮酶活性亦迅速被抑制,重新供氧后细胞内 ATP/ADP 比值很快恢复到原水平,固氮酶活性亦迅速上升。CCCP处理亦使细胞内 ATP/ADP 比值迅速下降。低电位电子受体 Metronidazole 制固氮活性,但固氮酶铁蛋白不被修饰,细胞内 ATP/ADP 比值略上升。实验证明,细胞内 ATP/ADP 比值的变化是启动固氮酶铁蛋白修饰系统的信号分子。     

氧对固氮螺菌(Azospirillum brasilense)Yu 62固氮酶活性的调节作用

本文研究了在好气条件下,在以谷氨酸为氮源的液体培养基中,固氮螺菌(Azospirllumbrasilense)Yu62固氮酶形成的条件及溶氧压对固氮酶活性的影响。厌氧使整体细胞固氮酶迅速失活;而见氧后固氮酶又重新恢复活性。Western blotting实验证实,这种可逆失活的分子基础,是由于固氮酶铁蛋白-亚基被修饰和去修饰。呼吸抑制剂KCN对固氮酶活性的抑制,亦是由于固氮酶铁蛋白被修饰。因此推论细胞内的能量状态可能是启动固氮酶活化酶系统的重要信号。谷氨酰胺合成酶的抑制剂MSX不能去除厌氧和KCN引起的抑制作用。结果表明：固氮酶活性的NH+4和厌氧关闭可能通过不同的机制起作用。     

铁氧还蛋白在细菌光合磷酸化中的作用

光合细菌Rhodopseudomonas capsulata载色体的内源光合磷酸化(循环光合磷酸化)对antimycin A敏感,在浓度为10~(-7)M时,几乎完全被抑制。外加电子供体(DCPIPH_2)和电子受体(维生素K_3,反丁烯二酸或氧)所构成的非循环光合磷酸化,对antimycin A不敏感,这些结果与Rhodospirillum rubrum载色体中所得到的结果一致。 经0.2％Triton X-100处理后的载色体,两种类型(循环和非循环)的光合磷酸化活性完全丧失。回加铁氧还蛋白,只能使非循环光合磷酸化恢复。循环光合磷酸化活性的恢复必需同时有PMS的存在,所恢复了的磷酸化活性,对antimycin A不再敏感。 ο-Phenanthroline对细菌载色体的光合磷酸化活性具有两个反应部位。高浓度(10~(-3)M)时,几乎完全抑制循环和非循环的光合磷酸化作用(包括回加铁氧还蛋白后恢复了的光合磷酸化作用)。低浓度(10~(-5)M)时,对存在PMS的循环光合磷酸化和非循环光合磷酸化只具有部分抑制作用。而对回加铁氧还蛋白后恢复了的循环和非循环光合磷酸化活性则表现出同等程度的抑制作用。 基于上述结果,对铁氧还蛋白在光合电子传递链上作为次级电子受体的可能性进行了讨论。     

分子氢支持蓝藻Anabaena7120固氮的生理基础研究

1.在一般条件下供给分子氢,蓝藻的乙炔还原活性相对增长百分率不如加入光合及代谢抑制剂那样显著。弱光和暗处理条件下,分子氢对蓝藻的增益作用较明显。2.分子氢对年轻蓝藻固氮作用的促进比对年老的大。3.在氨和尿素等结合氮影响下,蓝藻固氮活性受到抑制,同时加入分子氢,则其活性便有所提高。4.用氮气、二氧化碳和二氧化碳+氮气处理蓝藻,其固氮活性受到削弱,同时供给分子氢,则蓝藻的乙炔还原活性便得到明显的促进。5.经以乙炔预先处理过的蓝藻,无论添加光合和代谢抑制剂与否,其固氮活性均下降。加分子氢与不加分子氢的乙炔还原活性相近,分子氢对固氮的增益作用显著被削弱以至消失,加和不加抑制剂的氢耗也都下降,不加抑制剂的氢耗相对下降百分率更大。这表明分子氢支持蓝藻固氮和氢酶活动有联系。     

酰胺态氮瞬间调节荚膜红假单孢菌光合固氮活性的GS传感机制

天门冬酰胺(Asn)和谷氨酰胺(Gln)对荚膜红假单孢菌固氮酶活性抑制,在表观上类似于氨关闭效应,这种抑制效应由GS参与,相似于氨抑的传感机制。中断Gln代谢的6-diazo-5-oxo-L-norleucine(DON)存在时,氨抑的持续时间延长,与此相类似,Gln抑制加剧,这可能归之于Gln的积累。但是,Gln抑制被methionine sulfoximine(MSX,GS的抑制剂)消除,消除时MSX对Gln的浓度比值约为0.2,与氨抑消除所需的MSX对氨的浓度比值相当。此外,MSX消除氨抑不为DON拮抗,表明Gln抑制固氮酶活性由GS传感。然而,不能抑制GS转谷酰基活性的methionine suffone(MSF,谷氨酸的类似物)却与MSX相同,能消除Gln和氨对固氮活性的抑制。上述观察结果也可延伸至Asn的关闭固氮酶活性效应。     

电子供体及受体对棕色固氮菌抗氨阻遏能力的影响*

电子供体连二亚硫酸钠、甲基紫精及电子受体亚甲蓝均能强烈抑制棕色固氮菌表达固氮活性 ,并引起该菌的抗氨阻遏能力减弱。适当提高氧压 ,能提高菌体的固氮活性近1 5 % ,但过高的氧分压反而抑制菌体的固氮活性。此外 ,提高氢分压能降低棕色固氮菌菌体内的还原电位 ,从而达到提高菌体抗氨阻遏能力的效果。     

电子供体及受体对棕色固氮菌抗氨阻遏能力的影响

电子供体连二亚硫酸钠,甲基紫精及电子受体亚甲蓝均能强烈的抑制棕色固氮菌表达固氮活性,并引起该菌的抗氨阻遏能力减弱,适当提高氧压,能提高菌体的固氮活性近15％,但过高的氧分压反而抑制菌体的固氮活性,此外,提高氢分压能降低棕色固氮菌菌体内的还原电位,从而达到提高菌体抗氨阻遏能力的效果。