|
' G3 w& @* j8 A$ X
原标题:酶——能源转化:开启生物固氮技术的新篇章 * i% a1 b: }7 B' U8 D, R
. U& F! {( D- p' j( @+ g4 y1 y 本期看点:酶是植物生长过程中必不可少的生物催化剂,不同种类的酶在植物生长中发挥着不同的作用。植物生长要依赖酶系统的有序运作,才能进行正常的代谢和生长过程。
0 y1 q9 \2 e. o+ B: f) w/ u- l r 植物光合作用与酶,两个阶段进行
* W2 [+ G. ?/ J& ]1 H/ q* X 光合作用是一个非常复杂的问题,现所了解的光合作用,可分为两个阶段:一个叫光反应阶段,另一个叫暗反应阶段。
5 F1 |7 u4 R U; j# w2 [8 a 光反应阶段:太阳光照在叶子上,其中包含赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫共七色光,有些色光被叶绿素吸收,有些从叶子透射过去,只有绿光不吸收,也不透射,而是被反射回去,所以我们看到了绿色。被叶绿素吸收的那些光能便通过电子传递,打断了水分子的氢氧连接。水被分解成氢原子和氧气,氧气从叶子表面气孔放出,氢原子则与由B5组成的脱氢酶的辅酶Ⅰ结合,变成带氢原子的还原辅酶Ⅰ。辅酶Ⅰ就成了叶绿体中转运氢的运载工具。
( y* b6 O& V0 B6 e1 h4 \0 T0 O 一部分光能传给叶绿体后还要经过几个中间步骤,在三磷酸腺苷酶的催化下把能量交给二磷酸腺苷和磷酸,从而生成高能化合物三磷酸腺苷。 ! F0 P! C4 X& I0 Z
叶绿体把光能转换成三磷酸腺苷和带氢原子的辅酶Ⅰ贮存的化学能后,才能为二氧化碳变成葡萄糖创造条件。 % `) w! Q( @ B( o7 Q
暗反应阶段:从二氧化碳到葡萄糖的形成过程是复杂的,它是由三磷酸腺苷提供化学能,带氢辅酶Ⅰ提供氢,在14种酶连续催化下,经历14个化学反应步骤,使二氧化碳变为糖。
( }$ R& F5 T8 u5 a 归结起来说,光反应阶段是将光能转化为化学能,为暗反应提供所需能量;暗反应是光反应的继续,它利用光反应产生的化学能和氢将二氧化碳合成葡萄糖。 4 x5 Y+ Y2 L6 _$ S% [
农作物与固氮酶 ( I- i$ s' N: s/ ~) j% ~2 J
今年,联合国发布的《世界粮食安全和营养状况》显示,2022年全世界有6.91至7.83亿人面临饥饿,中位数高达7.35亿。较新冠疫情暴发前的2019年全球增加了1.22亿饥饿人口。
1 e( C. P5 ]& ~& Q. G4 H# b 报告显示,2022年,粮食安全形势和营养状况依然严峻。报告发现,按照中度或重度粮食不安全发生率衡量,全世界有24亿人无法持续获取食物,约占全球人口的29.6%,其中约有9亿人处于重度粮食不安全状况。 ( \# n- g6 S/ W# ~. {$ G4 G
粮食短缺与安全问题一直存在,而论如何最大限度地为农业生产提供保障服务,那么同样离不开酶。 $ S9 C4 I' i3 L! m! I$ w
蛋白质是生命最基本最重要的物质,合成蛋白质离不开重要元素氮,对于植物来说,只有把氮气变成氨之后,才能利用氨去合成氨基酸、蛋白质。所以,首要的问题是把氮气和氢气化合成氨,这叫固氮。
8 x+ M% }6 m f/ t T 人工合成固氮条件苛刻且效率低
. `7 c0 N* {4 D4 E; b% J 生物固氮效率极高 % G, N: {9 P$ n8 X: c3 w1 |
固氮方法有两种:一种是人工合成固氮,另一种则是生物固氮。
3 g# e0 Q3 |, G, m; {: I3 A 人工合成需要在500摄氏度高温和300大气压的情况下,再加上催化剂才能完成。即使在如此苛刻的条件下,平均100对氮气和氢气当中也只有7-20对成功。 + s+ ]) r4 z0 n3 C4 a& n
而生物固氮的效率要比人工合成高出千百倍。既不需要高压,也不需要高温,常温常压即可进行。
4 Z: b+ |9 e: H1 x 很多人都知道,豆科植物几乎不需要施肥,它本身并没有合成氨的本领,那么所需的氨由谁供给呢?
! C9 ~( d1 v1 I 豆科植物体内含有固氮酶
2 g# E' e I2 I4 S2 G, ~1 d3 ~" h 催化氮气与氢气转化成氨,直至合成蛋白质 & r, H2 w' `! ^0 Y& z7 ?, F
豆科植物的细跟中生活着一种根瘤固氮菌,豆株供给根瘤固氮菌糖类及其它营养物质,而根瘤菌则供给豆株所需要的氨。
* A6 i/ J% |5 t8 X- u 
z5 p9 P. M# J" Y p* Q. I( Q 根瘤固氮菌体内有固氮酶,在三磷酸腺苷提供的条件下,经固氮酶催化,氮气与氢气转化变成氨。 # q% G7 s! w: x, Y4 J6 w; T
在有氨的条件下,豆科植物就可以合成各种氨基酸,直至合成蛋白质。其利用固氮菌提供的氨和自己体内的α-酮戌二酸,在谷氨酸脱氢酶的作用下变成谷氨酸,再在转氨酶的催化下形成多种氨基酸。
- c$ @/ J w3 X [1 d: s 生物固氮的两个研究方向
! S$ ]* l8 U: x, X) ?7 D, m2 g 固氮酶理论研究至关重要
. S( k& `! i: v 生物学家认为,对于生物固氮可以从两个方面深入研究:一是全面考察,充分利用固氮生物为农业提供氮肥;二是进行固氮酶理论方面的研究,在探索清楚固氮酶的结构与功能相互关系的基础上,采用人工模拟固氮酶结构的办法,实现在常温常压下高效率的合成氨,为农业生产服务。
" j4 j7 t* U4 A( k. w- |( ` (参考文献:酶与生命.王贤舜,虞志方编著.Q55-49)返回搜狐,查看更多 # k8 t2 u8 q8 l
* }, T5 V- m C2 o- h% O& T* V* u0 Y 责任编辑:
0 x/ g, Q' y* B
% G2 \8 t$ C/ f, y5 ]; c1 q4 x
/ ]# [4 H" g7 Y! W. M9 F9 Y( N0 h6 W# Q
: p+ I5 M$ I" @
|