Биохимия азотфиксации

Микроорганизмы, усваивающие молекулярный азот, называются диазотрофами. Все они имеют сходный биохимический механизм фиксации молекулярного азота воздуха. В основе его лежит процесс восстановления N₂ по уравнению:

N₂ + 6e^- + 6H⁺ = 2NH₃

Реакция эта в клетке происходит при участии фермента нитрогеназы, расположенного на внутренних клеточных мембранах. Нитрогеназа, как и любой фермент, – белок, вернее, комплекс из двух белков: МоFe-белка и Fe-белка. В состав этих белков входят ионы железа, а в первый белок и ионы молибдена. Нитрогеназы из разных азотфиксаторов несколько различаются своими молекулярными массами и содержанием металлов. Каждый из белков, в свою очередь, состоит из нескольких субъединиц. Молекулярная масса МоFe-белка различных нитрогеназ находится в пределах 200 – 250 кДа. Фермент содержит по два атома молибдена, 28 – 34 атома железа и 18 – 24 атома серы на одну молекулу. Молекулярная масса Fe-белка колеблется от 50 до 70 кДа и также содержит атомы железа и серы [5].

Нитрогеназа – это сложный ферментный комплекс, выполняющий функцию восстановления молекулярного азота воздуха. Этот процесс требует затраты энергии. Как это обычно осуществляется в живых организмах, энергия для подобных реакций поставляется в виде молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Азотфиксатору дорого обходится восстановление даже одной молекулы N_2. Ещё одна особенность нитрогеназы заключается в том, что процесс этот требует анаэробных условий. Молекулярный кислород – яд для нитрогеназы, в связи с чем многие микроорганизмы, фиксирующие азот, либо растут в анаэробных условиях и являются облигатными или факультативными анаэробами, либо представляют собой клетки, растущие в нормальных атмосферных условиях, но имеющие специальную систему защиты нитрогеназы от кислорода. Если азотфиксаторы являются анаэробными клетками, то сами условия их жизни обеспечивают нормальное функционирование нитрогеназы. Иное дело – факультативные анаэробы. При избыточном количестве кислорода клетка начинает резко интенсифицировать процессы дыхания, как бы стараясь выбрать весь кислород и обеспечить выполнение ею функций азотфиксации. Процесс этот малопродуктивен и кончается снижением азотфиксации. У многих азотфиксаторов имеются специальные механизмы защиты нитрогеназы. В них принимают участие различные сложные молекулы, из которых наиболее изучен леггемоглобин бобовых растений. Леггемоглобин напоминает по своей структуре и функции гемоглобин человека и животных, специализирующийся, как известно, на транспорте О₂ и СО_2. Леггемоглобин расположен в клетках клубеньков, где живут азотфиксирующие микроорганизмы. Нитрогеназный комплекс, образующий аммиак из воздуха, действует по физико-химическим законам очень экономно. Если в среде обитания достаточно ионов аммония или нитратов, он прекращает работу.

Молекулярные биологи не теряют надежды, что исследование физико-химических основ процесса азотфиксации, происходящего в клетках, откроет перспективы создания новых экологически чистых, экономных технологий фиксации азота воздуха. Ведь все процессы в клетке, как правило, идут при физиологических значениях температуры, низких давлениях и без загрязнения среды обитания. Их нельзя сравнивать с технологией синтеза аммиака на огромных заводах, где даже при использовании катализаторов требуется температура около 500^оС и давление 300 – атм. Потребление растениями аммиака, образовавшегося при азотфиксации или восстановлении нитратов почвы, осуществляется ферментами, связанными с биосинтезом так называемых первичных аминокислот, прежде всего глютаминовой, аспарагиновой кислот и их амидов. Одним из активно изучаемых ферментов является, например, глютаминсинтетаза. Этот фермент катализирует реакцию:

Глютаминовая кислота + NH₃ + АТФ = глютамин + АДФ + Ф.

Фермент этот чрезвычайно сложен, встречается во всех организмах и принимает участие в присоединении аммиака к глютаминовой кислоте с образованием её амида и последующим использованием его в различных реакциях синтеза азотсодержащих органических соединений. Близким по механизму действия является и аспарагинсинтетаза:

Аспарагиновая кислота + NH₃ + АТФ = аспарагин + АДФ + Ф.

Синтез аминокислот и амидов происходит с участием и других ферментов: глютаматдегидрогеназы, аспартазы и т.д. В конечном итоге азот в виде аминогрупп вовлекается в серию биосинтетических реакций организма, поддерживая его жизненные функции [6].