Вільноживучі азот фіксатори

Хімізм фіксації молекулярного азоту.

Метод Габера—Боша, до якого вдаються нині, щоб одержати з атмосферного повітря NH3, потребує високих температур і тиску. Натомість біологічна фіксація азоту відбувається за звичайних умов.

Але процес зв'язування молекулярного азоту досить енергоємний. Щоб розірвати три зв'язки, між двома атомами в молекулі азоту необхідно затратити 941 кДж/моль. Експериментально доведено, що під час розвитку азотфіксатори, які зв'язують молекулярний азот, на одиницю маси новоутворених клітин витрачають більше енергії, ніж при рості на сполуках азоту.

Зв'язування молекулярного азоту може відбуватися двома шляхами: відновленням або окисленням. Кожен з цих шляхів є багатоступінчастим і каталізується своїми ферментативними системами. Більшість дослідників вважають, що фіксація N2 здійснюється за відновним шляхом.

Перші досліди з вивчення ферментного комплексу, який забезпечує процес фіксації N2, було проведено ще в 1934 p., коли відомий російський біохімік О.М.Бах (із співробітниками) зробив спробу одержати безклітинний препарат, який містить ферментний комплекс, що зв'язує молекулярний азот. Однак це складне завдання завдяки зусиллям багатьох вчених було розв'язано значно пізніше.

Ферментна система, яка відповідає за фіксацію N2, називається нітрогеназою. Вона складається з двох білкових компонентів. Один із них містить Мо і Fe і називається молібдофередоксином, а другий містить тільки Fe і називається азофередоксином. У складі останнього, як і в молібдофередоксині, є сульфідні групи. Молібдофередоксин (Mo-Fd) інактивується киснем, а азофередоксин, навпаки, чутливий до кисню (Azo-Fd). Нітрогеназа здійснює процес, при якому водень відновної сполуки переноситься на N2 з утворенням NH3. Активування азоту і водню в клітинах азотфіксаторів, необхідних для перетворення N2 на NH3, здійснюється також фередоксином — білком негемінової природи (Fid). Водень у мікробній клітині може утворюватися у низці процесів. Молекулярний азот і водень активуються електронами, які утворюються в ланцюзі окислювально-відновних процесів.

Незалежно від безпосереднього джерела електронів вони повинні передаватись в нітрогеназну систему відновником з низьким потенціалом, який містить негемінове залізо, — переносником електронів (Fd):

У ланцюгу перенесення електронів, який складається із фередоксину (Fd), азофередоксину (AzoFd), і молібдофередоксину (MoFd), за один раз переносяться тільки два електрони (для останнього перенесення потрібно витратити одну молекулу АТФ). Але для відновлення N2 до NH3 потрібно шість електронів, а тому реакція повинна складатися із послідовних двоелектронних стадій. Характерно, що в реакційній суміші ніколи не знаходили частково відновлених проміжних продуктів. Вважають, що вони залишаються зв'язаними з ферментом, і відновлення відбувається через такі проміжні стадії:

Встановлено, що нітрогеназа може відновлювати не тільки молекулярний азот, а й інші сполуки. На здатності нітрогенази відновлювати ацетилен до етилену ґрунтується непрямий метод її визначення, який знайшов широке застосування на практиці (R.Hardy, 1973).

Аміак, який утворюється при відновленні молекулярного азоту, реагує з кетокислотами бактеріальної клітини (піровиноградною, щавлевооцтовою тощо), в результаті чого утворюються амінокислоти.

При наявності сполук перехідних металів — титану, ванадію, хрому, молібдену і заліза — відбувається активація N2 у звичайних умовах. При цьому утворюються комплексні сполуки, які розкладаються водою до аміаку. Отже, дані, одержані вітчизняними і зарубіжними вченими, дають змогу сподіватися на те, що через певний час буде розроблено промисловий метод м'якої хімічної фіксації молекулярного азоту.

Функціонування мультиферментного комплексу нітрогенази визначається особливими генами (nif-генами). Інтенсивно проводяться роботи з вивчення можливості штучної передачі цих генів від азотфіксуючих мікробів іншим мікроорганізмам, які не здатні фіксувати N2.

Цікаві дані щодо цього одержано при перенесенні групи nif-генів бактерії Klebsiella pneumoniae до клітини Е.соіі. Спочатку перенесення здійснювалося введенням nif-генів до плазмід, які потім було введено в Е.соlі. Відомо, що Е.соlі не фіксує N2. Новий штам Е.соlі набув властивостей синтезувати нітрогеназу і завдяки цьому виявився здатним до фіксації N2.

Подібні статті

Генетичні особливості мікроорганізмів
Надзвичайно важливим серед досягнень мікробіології останньої чверті XIX ст. є відкриття неклітинних форм життя — вірусів. Тоді багато вчених вважали, що бактерії є найменшими і найпростішими організмами, і що саме вони стоять на межі живої ...

Життя в межах внутрішніх водойм
Водні об'єкти, розташовані серед суходільних масивів, називають континентальними, або внутрішніми. Вони поділяються на водойми, або водні об'єкти уповільненого стоку, і водотоки — водні об'єкти прискореного стоку. Водойми уповільненого сто ...