Биологическая фиксация азота стала предметом интенсивного исследования, чему способствовали следующие причины: - проблема фиксированного азота имеет чрезвычайную важность для сельского хозяйства, в современном мире происходит продовольственный кризис; - производство азотных удобрений требует больших энергетических затрат. 9 Биологическая фиксация азота в природе осуществляется свободноживущими бактериями ( несимбиотическая фиксация азота ) и бактериями, осуществляющими ее в сообществе с растениями ( симбиотическая фиксация азота ).
Фиксация молекулярного азота – процесс, посредством которого атмосферный азот трансформируется в аммиак, благодаря чему был создан и ныне поддерживается азотный статус всех наземных и водных экосистем Микроорганизмы, усваивающие молекулярный азот, называются диазотрофами симбиотические свободноживущие ассоциативные
Симбиотические азотфиксаторы усваивают молекулярный азот, только находясь в симбиозе с растением. Особо важное значение имеет симбиоз между клубеньковыми бактериями рода Rhizobium и бобовыми растениями. К симбиотическим азотфиксаторам относятся также бактерии рода Bradyrhizobium (симбиоз с люпином, соей, вигной, машем, арахисом и т. д.), бактерии рода Azorhizobium (симбиоз с бобовыми растениями). Бактерии родов Rhizobium, Bradyrhizobium и Azorhizobium входят в α - подгруппу протеобактерий и формируют корневые и стеблевые ( Azorhizobium ) клубеньки у бобовых растений.
разнообразие форм — полиморфность Для быстрорастущих клубеньковых бактерий характерно перитрихиальное расположение жгутиков, для медленнорастущих — монотрихиальное При старении клубеньковые бактерии теряют подвижность и переходят в состояние так называемых опоясанных палочек. Такое название они получили вследствие чередования в клетках плотных и неплотных участков протоплазмы.
род Rhizobium Особо важное значение имеет симбиоз между клубеньковыми бактериями рода Rhizobium и бобовыми растениями. Бактерии родов Rhizobium, Bradyrhizobium и Azorhizobium входят в α - подгруппу протеобактерий и формируют корневые и стеблевые ( Azorhizobium ) клубеньки у бобовых растений. К настоящему времени известен только один случай формирования ризобиями азотфиксирующего симбиоза с представителем не из семейства Бобовые, таковым является род Parasponia семейства Вязовые ( Ulmaceae )
Флавоноиды или изофлавоноиды, секретируемые растением-хозяином, индуцируют у соответствующих бактерий экспрессию множества генов, участвующих в образовании корневых утолщений – «клубеньков». Продукты nod -генов – ферменты, участвующие в биосинтезе видоспецифичных липополисахаридов Эти сигнальные молекулы, выделяемые бактериальными клетками, вызывают скручивание корневых волосков растения и деление клеток меристематической ткани, приводя к образованию корневых утолщений – «клубеньков».
Известно также множество генов растений, экспрессия которых специфично индуцируется в тканях корня при взаимодействии с микроорганизмами-симбионтами. Таким образом, формирование эффективно функционирующих корневых «клубеньков» требует согласованной экспрессии как бактериальных, так и растительных генов. Комбинированный эффект специализированных растительных клеток, действующих как ограничитель диффузии кислорода, и поставщик леггемоглобина, который обратимо связывает кислород, приводит к значительному снижению концентрации кислорода внутри инфицированных тканей. В ответ на этот физиологический «переключатель » у микроорганизмов инициируется экспрессия генов азотфиксации
рода Bradyrhizobium симбиоз с люпином, соей, вигной, машем, арахисом и т. д. В настоящее время известны фотосинтезирующие представители группы Bradyrhizobium, которые используют независимую от Nod факторов стратегию вступления в симбиоз с некоторыми видами Aeschynomene симбиоз с бобовыми растениями род Azorhizobium Симбиоз между Azorhizobium сaulinodans и его партнером – тропическим бобовым растением Sesbania rostrata уникален тем, что клубеньки возникают не только на корнях, но и на стеблях. Более того A. сaulinodans способен расти в чистой культуре проявляя способность свободноживущего азотфиксатора.
Род Frankia Актиномицеты рода Frankia также обитают в качестве эндосимбионтов в клубеньках, которые образуются на корнях небобовых растений, как древесных и кустарниковых, так и травянистых, среди которых ольха, облепиха, стланик, казуарина, восковница, лох, шефердия, куропаточья трава и др. Растения, являющиеся симбиотическими партнерами Frankia, первыми колонизируют бедные или деградированные почвы и, таким образом, выполняют важную экологическую функцию в процессах лесовосстановления
Anabaena azollae Цианобактерии Anabaena azollae образуют симбиотическую ассоциацию с водным папоротником Azolla (цианобактерии находятся в листовых полостях папоротника), внося большой вклад в азотфиксацию на рисовых плантациях, где этот папоротник растет на поверхности покрывающей почву воды.
Род Nostoc Цианобактерии рода Nostoc вступают в симбиоз с мхами-печеночниками и тропическим растением Gunnera macrophylla. C имбиотические цианобактерии присутствуют в лишайниках, представляющих собой ассоциацию этих прокариот с грибами. Благодаря тому, что цианобактерии осуществляют азотфиксацию и имеют фотоавтотрофный тип метаболизма, нуждаясь для роста только в СО 2, N 2 и минеральных солях, лишайники первыми заселяют неорганические среды, создавая условия для развития других организмов.
Эффективность симбиотических систем «растение — микроорганизм» определяется: азотфиксирующей активностью — скорость восстановления N2 в NH3 симбиотической эффективностью —способность растений интенсивно развиваться, используя симбиотрофное питание азотом Вирулентностью Совместимостью метаболических систем партнеров
Вирулентность клубеньковых бактерий — это способность проникать в корень бобового растения через корневые волоски и посредством сложных морфофизиологических изменений приводить к образованию клубеньков Клубеньковая бактерия из клубенька гороха (электронно-микроскопический снимок) туморогенная активность - способность образовывать опухоли на корнях
http://22century.ru/resurrection/11339
Обитают в: ризоплане (на поверхности корней), ризосфере (в почве,окружающей корни) филлосфере (на листьях, стеблях) растений, т. е. живущие в ассоциации с высшими растениями. заселение корневых волосков пшеницы азоспириллами формирования специализированных азотфиксирующих структур не происходит
К активным азотфиксаторам, развивающимся в ризосфере и ризоплане различных растений, относятся бактерии азоспириллы ( Azospirillum lipoferum, A. brasilense, A. amazonense, A. halopraeferans и др.), Klebsiella planticola, Herbaspirillum seropedicae, представители рода Pseudomonas и др. Front. Plant Sci., 17 February 2016 | https://doi.org/10.3389/fpls.2016.00144
показано, что в случаях, когда Gluconacetobacter diazotrophicus колонизирует межклеточные пространства и проводящие ткани корневой системы и стебля сахарного тростника, то у растения изменяется экспрессия генов таким образом, что оно становится резистентным по отношению к фитопатогену Xantomonas albilineas
1 — Azotobacter vinelandii ; 2 — Clostridium pasterianum ; 3 — Rhizobium meliloti ; ( 4 — клубеньковые бактерии в клетках корня ольхи.) Свободноживущие диазотрофы вездесущи и разнообразны. Они не привносят в почву значительных количеств азота с точки зрения сельского хозяйства, однако, с научной точки зрения представляют интерес, поскольку их достаточно просто культивировать в лабораторных условиях, а строение их нитрогеназ почти идентично строению нитрогеназ ризобий
Рис.. Azotobacter vinelandii. клетки различных видов азотобактера Наиболее известными представителями аэробных азотфиксаторов являются виды рода Azotobacter. Среди представителей аэробных фототрофных диазотрофов встречаются цианобактерии ( Anabaena, Nostoc ), факультативно-анаэробные фототрофные бактерии ( Rhodospirillum ).
http://plant.geoman.ru/books/item/f00/s00/z0000000/st013.shtml Делящиеся клетки азотобактера (A. agilis ), видны перитрихиалыше жгутики, у A. macrocyto-genes видны полярные жгутики
Большинство свободноживущих азотфиксаторов – мезофиллы: при температуре 37° – 40° С заметно снижается их способность фиксировать азот. среди диазотрофов присутствуют термофильные микроорганизмы, например, Methanococcus thermolithotrophicus – метаноген, который осуществляет фиксацию азота при температуре 64°С Streptomyces thermoautotrophicus – актиномицет, выделенный из углежоговой ямы, фиксацию азота осуществляет при 65 °С
Реакцию восстановления молекулярного азота до аммиака катализирует фермент нитрогеназа. Фермент высокочувствителен к молекулярному кислороду – он инактивируется на воздухе и в аэробных условиях его синтез прекращается. Таким образом, фиксация азота представляет собой строго анаэробный процесс. Чувствительность нитрогеназы к О2 не затрудняет осуществление азотфиксации у строгих анаэробов, но является лимитирующим фактором в случае аэробов и факультативных анаэробов.
Комплекс состоит из двух ферментов: собственно нитрогеназы (называемой также Mo - Fe -белком или динитрогеназой ) и дегидрогеназы ( ди ) нитрогеназы ( Fe -белок). Железо-молибденовый кофактор (сокращенно FeMoco ) — самый большой и сложный из известных на сегодняшний день биологических катализаторов на основе металлов. Этот шедевр биологических нанотехнологий изготавливается специальными ферментами ( Nif гены) и прикрепляется к белковой основе нитрогеназы. Именно железо-молибденовый кофактор играет ключевую роль в процессе азотфиксации : к нему присоединяется молекула азота, и здесь же происходит ее расщепление Используется энергия АТФ (12 – 15 молекул АТФ на моль фиксированного азота
Новые данные (на основе молекулярно-генетических методов): Процесс азотфиксации «стартовал» по крайней мере 3–3,5 млрд лет назад, но эффективная система, основанная на работе железо-молибденового каталитического комплекса, образовалась существенно позже — 1,5–2,2 млрд лет назад, то есть после оксигенизации планетарной среды. Нитрогеназа (по структуре – консервативный фермент) крайне чувствительна к молекулярному О 2, и даже малые количества О 2 подавляют активность фермента. Ранее считалось, что чувствительность нитрогеназного комплекса к кислороду обусловлена тем, что он возник до оксигенного фотосинтеза Это событие изначально произошло в группе гидрогенотрофных метаногенов ( архебактерий ), обитавших в особых бескислородных нишах на большой глубине У современных азотфиксирующих фотоавтотрофных цианобактерий оксигенный (с выделением кислорода) фотосинтез и азотфиксация возможны только в случае пространственного и/или временного разделения этих двух процессов.
Избегание – анаэробы и факультативные анаэробы осуществляют процесс фиксации азота при низком парциальном давлении кислорода. Klebsiella pneumonia может фиксировать азот в микроаэробных условиях, защищая нитрогеназу с помощью «коллективного» дыхания, при котором концентрация кислорода существенно снижается внутри колоний, а парциальное давление углекислого газа увеличивается
Гетероцисты – результат клеточной дифференциации. Дезактивация ФС2: хл -белковые комплексы и компоненты ФС2 разрушаются (активность ФС1 сохраняется); экспрессия генов, кодирующих нитрогеназный комплекс; Улавливание световой энергии ФС1 циклический поток электронов вокруг ФС1 образование АТФ расходование АТФ на азотфиксацию. Нитрогеназа использует энергию фотосинтетически генерированной АТФ Пространственное разделение. У большинства пресноводных цианобактерий, образующих гетероцисты. N 2 + АТФ (фот) + Н + ( ферредоксин ) +углеродный скелет глутамат Глутамат поступает в соседние фотосинтетические клетки и используется для синтеза других аминокислот В колонии гетероцисты располагаются между вегетативными клетками.
Cyanothece 51142 Временное разделение. У ряда цианобактерий, не образующих гетероцисты, фотосинтез протекает в присутствии света (днем), азотфиксация – в отсутствие света (ночью). Нитрогеназа работает за счет энергии АТФ, образованной в дыхательной элетронтранспортной цепи. Катаболизму подвергаются продукты фотосинтеза. «Знаменита» тем, что выделяет большое количество водорода «Соблюдение режима дня»
Диаметр клетки 2.5-6 мкм. Вегетирует в теплых водах ( > 24 о C ). В олиготрофных водах тропической зоны Атлантического и Тихого океанов в фотической зоне достигает численности порядка 1 млн кл / мл. Высокая скорость роста. Crocosphaera watsonii Crocosphaera дает значительный вклад в бюджет азота в тропических водах Фиксирует азот ночью.
Trichodesmium spp. Цианобактерии Trichodesmium фиксируют азот ТОЛЬКО на свету и при этом у них НЕТ гетероцист Trichodesmium thiebautii Trichodesmium erythraeum «Лабораторная крыса» Колонии – сферические, «сноповидные», встречаются и одиночные трихомы. В колонии 200 и более трихомов. Trichodesmium – наиболее распространенная азотфиксирующая цианобактерия в морских экосистемах, часто формирует цветения Trichodesmium sp. Trichodesmium erythraeum
Как же осуществляется защита нитрогеназ от фотосинтетически выделяемого кислорода у Trichodesmium ? Как экспрессия Nif генов, так и активность нитрогеназного комплекса у блокируются кислородом! По сути, у Trichodesmium есть и пространственное, и временное разделение процессов фиксации азота и фотосинтеза Наличие в трихомах «светлых» участков, состоящих из клеток (2 – 30 клеток), практически не содержащих гранул (более прозрачных – «светлых»). На трихом – 1-4 «светлые» зоны. «Светлые» клетки названы диазоцитами Трихомы, фиксированные р-ром Люголя диазоциты Низкое число и меньший размер клеточных структур, таких как цианофициевые гранулы, газовые вакуоли, полифосфатные гранулы (из-за этого и большая прозрачность диазоцит ) ??
Разделение азотфиксации и фотосинтеза в пространстве у Trichodesmium Окраска специфическим красителем Nif белков Фиксация азота идет ТОЛЬКО в диазоцитах Число диазоцитов отрицательно коррелирует с присутствие связанного азота (минерального и органического). В отсутствие связанного азота диазоциты формируются в течение 8 – 27 час. Расчеты на модели предсказывают, что при пространственном разделении процессов фиксации азота и фотосинтеза продукция выше, чем при разделении во времени Фиксированный азот быстро распространяется по «обычным» клеткам трихома (результаты экспериментов с меченным азотом). Формирование диазоцитов начинается с трансформации клеточных структур, только потом происходит экспрессия нитрогеназного комплекса
Гипотетический сценарий эволюционного образования диазоцитов (предложен на основе результатов расшифровки геномов цианобактерий) Диазоциты Диазоциты НЕ являются полностью дифференцированными клетками (в отличие от гетероцист ). У них сохраняется способность к делению Деление диазоцитов Это также является преимуществом при жизни в водной среде (перемешивание, изменение светового режима, содержание связанного азота в среде), поскольку дает возможность более быстро и «легко» приспосабливаться к изменениям условий среды
У факультативных фототрофов защиту нитрогеназы при низкой концентрации О 2 обеспечивает особый белок. Предполагают, что он связывается с нитрогеназой, и это вызывает изменение ее конформации, сопровождаемое потерей активности, но вместе с тем приобретением устойчивости к кислороду, – эффект, названный конформационной защитой. Это связывание носит обратимый характер, и при исчерпании молекулярного кислорода нитрогеназа возвращается в активное состояние. Виды родов Azotobacter, Azospirillum, Rhodopseudomonas развили стратегии защиты от повреждающего действия кислорода, которые заключаются в изменении конформации фермента.
Другой механизм морфологической адаптации, препятствующий доступу молекулярного кислорода к клеткам, – это продукция большого количества слизи (например, у бактерий рода Azotobacter ). Ослизнение. Аэробные диазотрофы способны расти на свободной от азота агаризованной среде с образованием больших клейких (из-за продукции внеклеточных полисахаридов) колоний.
У симбиотических азотфиксирующих бактерий морфологическая адаптация реализуется путем образования корневых или стеблевых клубеньков у растений. В этих образованиях находятся азотфиксирующие бактерии в виде бактероидов (разветвленных, булавовидных клеток). Для защиты нитрогеназы от молекулярного кислорода в клубеньках синтезируется пигмент леггемоглобин, который обладает высоким сродством к кислороду. Благодаря связыванию избытка кислорода леггемоглобином бактероиды снабжаются им в количестве, достаточном для роста клеток и получения энергии, не препятствуя при этом фиксации азота. Клубеньки с леггемоглобином имеют розовый цвет и способны фиксировать молекулярный азот. При разрушении леггемоглобина образуются зеленые пигменты биливердины, а клубеньки, содержащие такие пигменты, молекулярный азот не фиксируют.
У некоторых аэробных почвенных бактерий, таких как бактерии рода Azotobacter, защитный в отношении нитрогеназы эффект оказывает потребление ими с высокой скоростью молекулярного кислорода из среды, т.е. действует так называемая дыхательная защита, которая обеспечивается высокоактивной и разветвленной дыхательной цепью. При фиксации азота у этих бактерий действуют те ветви этой цепи, которые имеют только один участок сопряжения с фосфорилированием, но при этом эффективно восстанавливают О 2 до воды. Индуцируется синтез терминальной цитохром -α-оксидазы, которая обладает низким сродством к О 2, но высокой скоростью его потребления.
Кроме перечисленных механизмов защиты от молекулярного кислорода у многих азотфиксирующих бактерий имеется поведенческая адаптация. Примером такой адаптации. является агрегация клеток бактерий или образование тесных ассоциаций азотфиксаторов с аэробными гетеротрофами. Для подвижных азотфиксаторов эффективным способом защиты служит отрицательный аэротаксис, позволяющий бактериям избегать области среды с повышенным содержанием кислорода.
Рассмотрим на примере клубеньковых бактерий. Видовое название клубеньковых бактерий обычно соответствует латинскому названию того растения, из клубеньков которого выделены бактерии. Например, Rhizobium trifolii – растение-хозяин клевер, Rhizobium phaseoli – растение-хозяин фасоль, Rhizobium leguminosarum – растение-хозяин горох, кормовые бобы, вика, чина и т. д. Клубеньковые бактерии – это грамотрицательные подвижные палочки. Они относятся к микроаэрофильным микроорганизмам, способным развиваться при низком парциальном давлении кислорода в среде. Оптимальная для роста клубеньковых бактерий температура 24–26 ºС. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Клубеньковые бактерии хемогетеротрофы, т. е. в качестве источника углерода и энергии используют органические вещества, часто нуждаются в некоторых витаминах – тиамине, пантотеновой кислоте, биотине. Они обычно существуют свободно в почве, их количество зависит от характера почвы и ее предшествующей сельскохозяйственной обработки. При свободном существовании в почве используют связанный азот, т.е. утрачивают способность фиксировать азот атмосферы. Клубеньковые бактерии обладают выраженной специфичностью в отношении бобовых растений: каждый их вид вызывает образование клубеньков на корнях одного или группы близких видов бобовых. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
В основе специфичности такого симбиоза лежит способность бобовых растений синтезировать лектины – гликопротеины, обладающие свойством обратимо и избирательно связывать углеводы и углеводные детерминанты биополимеров без образования ковалентной связи и изменения их структуры. Лектины находятся на наружной поверхности корневых волосков. Видоспецифичные же углеводы входят в состав наружной мембраны клеточной стенки клубеньковых бактерий. Взаимодействие поверхностных лектинов корневого волоска с углеводами мембраны бактерий рода Rhizobium определяет процесс дальнейшего инфицирования корневого волоска, т.е. будет ли инфицировано растение данными клубеньковыми бактериями или нет. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Симбиоз устанавливается при прорастании семян бобовых растений. При их развитии корни выделяют органические питательные вещества, которые стимулируют размножение ризосферных микроорганизмов, в том числе и клубеньковых бактерий. Из почвы клубеньковые бактерии проникают через корневые волоски в корень. Процесс инфицирования начинается с адгезии клеток бактерий на поверхности корневых волосков. В клетках корневых волосков бобовых синтезируются особые вещества – хемоаттрактанты для бактерий. К таким соединениям, в частности, относятся флавоноиды и изофлавоноиды. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
В процессе распознавания принимают также участие уже упоминаемые лектины, способствующие прикреплению бактерий к корневым волоскам. Флавоноиды и изофлавоноиды индуцируют экспрессию бактериальных nod -генов, которые отвечают за синтез Nod -факторов (белков- нодулинов ), обеспечивающих межвидовое взаимодействие. В корневой волосок проникает сразу несколько клеток клубеньковых бактерий. Проникновение сопровождается инвагинацией мембраны корневого волоска, образуется трубка, выстланная целлюлозой, вырабатываемой клетками хозяина. В этой трубке, называемой инфекционной нитью, находятся интенсивно размножающиеся бактерии. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Инфекционная нить проникает в кору корня, проходя прямо через ее клетки, а не между ними. Развитие собственно клубенька начинается, когда инфекционная нить достигает тетраплоидной клетки ткани коры. При этом происходит усиленная пролиферация как самой тетраплоидной клетки, так и соседних диплоидных клеток. Индуцирует пролиферацию индолилуксусная кислота – растительный гормон, который синтезируют клубеньковые бактерии. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
В молодых клубеньках большинство бактерий представляет собой палочковидные клетки, однако в дальнейшем они приобретают неправильную форму и становятся разветвленными, булавовидными или сферическими и называются бактероидами. На стадии бактероидов происходит фиксация молекулярного азота. В конце периода роста растения бактерии часто полностью исчезают из клубеньков; они отмирают, а вещества клеток поглощает растение-хозяин. У клубеньковых бактерий за фиксацию атмосферного азота ответственен n if -оперон, который локализован в S у m - плазмидах (от англ. sym - biosis inducing ). Гены n if -оперона детерминируют синтез нитрогеназы – основного фермента, участвующего в фиксации молекулярного азота. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Значение клубеньковых бактерий в сельском хозяйстве очень велико. За вегетационный период на 1 га поля, засеянного многолетними бобовыми растениями (клевер, люцерна), связывается 150–220 кг атмосферного азота, однолетними бобовыми (фасоль, соя, бобы, горох, чечевица) – 40–110 кг. Часть его выделяется из клубеньков во время вегетации, в основном в виде аминокислот. Остающиеся после уборки урожая корни, особенно у многолетних бобовых, содержат также много азота. Эти остатки подвергаются аммонификации, благодаря чему происходит обогащение почвы доступными для растений соединениями азота. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Для обогащения почвы клубеньковыми бактериями в промышленных масштабах производятся препараты нитрагин, ризоторфин, сапронин, ризофос и СояРиз, которые используются для предпосевной обработки семян бобовых. Эти удобрения содержат естественные почвенные бактерии и позволяют увеличить накопление биомассы высшими растениями. Перспективность такой технологии состоит в том, что она позволяет частично заменить минеральные удобрения, и таким образом снизить уровень загрязнения, вызванный их интенсивным использованием. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Новые перспективы для увеличения эффективности азотфиксации и улучшения азотного питания растений открывает использование достижений генной инженерии. В настоящее время практически решена проблема увеличения дозы n if -генов у клубеньковых бактерий рода Rhizobium. Выполнены работы по переносу n if -генов в другие организмы, так как они локализуются на плазмидах. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Реакцию восстановления молекулярного азота до аммиака катализирует фермент нитрогеназа. Синтез нитрогеназы детерминируют nif -гены (от англ. ni trogen f ixation ), которые находятся в хромосоме ( Klebsiella, Bradyrhizobium ) или мегаплазмиде ( Rhizobium ). Кроме nif -генов в азотфиксации участвуют продукты fix -генов. Известны три типа ферментов нитрогеназ. Наиболее распространенный тип содержит молибден, в других типах этого фермента вместо молибдена присутствует ванадий или железо. Некоторые азотфиксирующие бактерии в зависимости от наличия в среде молибдена или ванадия способны синтезировать два или даже три ( Azotobacter spp. ) типа нитрогеназ. Все типы нитрогеназ состоят из двух белковых компонентов.
Компонент 1 – это собственно нитрогеназа, или MoFe -белок ( динитрогеназа, или молибдоферредоксин ); компонент 2 – это редуктаза динитрогеназы, или Fe -белок ( FeS -белок, или азоферредоксин ). MoFe -белок (мол. масса примерно 240 кДа ) состоит из четырех субъединиц двух типов, т.е. представляет собой α 2 β 2 -тетрамер. Этот тетрамерный белок связан с MoFe - кофактором, выполняющим роль каталитического сайта восстановления N 2. Fe -белок – гомодимер, состоящий из двух идентичных субъединиц, α 2 – димер (мол. масса примерно 60 кДа ), соединенных через [ Fe 4 S 4 ]-центр. Fe -белок принимает электроны от восстановленного ферредоксина или флаводоксина и передает их на MoFe -белок в АТФ-зависимой реакции.
Восстановление одной молекулы N2 до двух молекул NН3 описывается следующим уравнением: Данный процесс осуществляется в три последовательные стадии. Вначале N2 превращается в диимид (НN = NН), затем в гидразин (Н2N – NН2) и, наконец, в NН3:
Для фиксации молекулярного азота необходимы восстановительная сила и энергия. Энергия затрачивается на преодоление высокого активационного барьера для разрыва первой из трех чрезвычайно устойчивых при нормальной температуре связей в молекуле N ≡ N. В условиях промышленного синтеза N Н 3 из Н 2 и N 2 (реакция Харбера -Боша) этот барьер преодолевается под действием высокой температуры и высокого давления в присутствии металлсодержащих катализаторов. Затраты АТФ и восстановителя при биологической фиксации азота настолько велики, что скорость роста бактерий и экономический коэффициент с использованием N 2 в качестве источника азота значительно ниже, чем в присутствии N Н 3. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Восстановитель и молекулы АТФ синтезируются в процессе брожения, дыхания или фотосинтеза. Восстановителем в нитрогеназной реакции служит восстановленный ферредоксин (в условиях дефицита железа он заменяется флаводоксином ). Восстановление ферредоксина может происходить различными путями. У оксигенных фототрофных цианобактерий ферредоксин восстанавливается фотосистемой I на свету и пируват:ферредоксин-оксидоредуктазой в темноте. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
У анаэробных хемотрофов он восстанавливается ферредоксин -зависимыми оксидоредуктазами, такими как пируват : ферредоксин-оксидоредуктаза, гидрогеназа и формиатдегидрогеназа. У аэробных хемотрофов и аноксигенных фототрофов восстановление ферредоксина происходит при участии НАДФН и ферредоксин : НАДФ + - оксидоредуктаз. У аэробных хемолитоавтотрофов ферредоксин восстанавливается путем энергозависимого обратного переноса на него электронов от НАДФН. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Восстановление одной молекулы N 2 до двух молекул N Н 3 описывается следующим уравнением: Данный процесс осуществляется в три последовательные стадии. Вначале N 2 превращается в диимид (Н N = N Н), затем в гидразин (Н 2 N – N Н 2 ) и, наконец, в N Н 3 : Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Нитрогеназная система катализирует АТФ-зависимое восстановление не только молекулярного азота, но и ацетилена (НС ≡ СН), азида, закиси азота, цианидов, нитритов, изонитрилов и протонов. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
