Глава 16. ФИКСАЦИЯ АТМОСФЕРНОГО АЗОТА

Для биосинтеза азотсодержащих органических веществ (белков, нуклеиновых кислот и др.) требуется аминный азот. Его важным источником являются азотсодержащие вещества – азотистые основания нуклеиновых кислот, аминокислоты, аминоспирты и др. Внутриклеточные запасы этих предшественников ограничены. Вместе с тем на Земле существуют огромные запасы молекулярного азота, который содержится в атмосфере и пригоден для биосинтетических процессов. Однако использовать молекулярный азот для метаболических нужд могут далеко не все живые организмы. Существуют отдельные представители микроорганизмов, способные осуществлять процесс фиксации атмосферного азота. Они играют важную роль в обеспечении кругооборота азота в природе (рис. 127).

Рисунок 127 – Кругооборот азота в природе

Смысл процесса фиксации атмосферного азота сводится к следующему. Азотфиксирующие организмы используют атмосферный азот для синтеза аммиака. Этот метаболит может усваиваться практически всеми живыми организмами на нашей планете. В почве существует особая разновидность почвенных бактерий, способных получать энергию за счет окисления аммиака до нитритов и нитратов. Под их влиянием аммиак, попавший в почву из тел погибших организмов, окисляется до нитратов. Этот процесс определяется как нитрификация.

Растения, обладающие ферментом нитратредуктазой, способны восстанавливать нитраты до аммиака. Образовавшийся аммиак используется растениями для синтеза аминокислот и нуклеиновых кислот. Эти азотсодержащие вещества из растений поступают в гетеротрофные животные организмы, где и подвергаются катаболизму. Таким образом, круговорот азота в природе замыкается.

К азотфиксирующим организмам относятся цианобактерии и некоторые почвенные бактерии (в частности, Azotobacter). Эти микроорганизмы превращают атмосферный азот в аммиак. Существуют и другие азотфиксирующие организмы – клубеньковые бактерии, которые представляют собой симбиоты, живущие в клубеньках бобовых растений. Они осуществляют симбиотическую азотфиксацию.

Культурные растения нуждаются в значительных количествах азотсодержащих веществ. Для того что бы обеспечить эту потребность, необходимо либо вносить в почву минеральные азотные или органические удобрения, или проводить севооборот. С целью севооборота производится чередование посадки посевных культур и бобовых растений.

Фиксация атмосферного азота происходит с участием нитрогеназной ферментативной системы. Балансовое уравнение реакции, катализируемой этой системой, можно представить как

Свободная стандартная энергия этого процесса составляет

8 ккал/моль, что представляет собой значительную величину. Поэтому процесс фиксации атмосферного азота требует значительных энергетических затрат.

Источником водорода для этого процесса служит восстановленный НАДФ. Он используется для восстановления белка ферродоксина. Ферродоксин представляет собой белок с небольшой молекулярной массой, в состав которого входят серу и железо. Восстановленный ферродоксин участвует в восстановлении нитрогеназного комплекса. Этот мультиферментный комплекс включает два различных энзима – железосодержащий, а также железо- и молибденсодержащий. Фермент, содержащий железо и молибден, принимает непосредственное участие в восстановлении атмосферного азота до аммиака.

Молекула азота связывается с атомами железа, входящими в состав активного центра ферментов нитрогеназного комплекса. За счет образования многочисленных координационных связей между атомами железа и азота происходит ослабление связей в молекуле азоте и тем самым преодолевается энергетический барьер реакции (рис. 128).

Рисунок 128 – Связывание молекулы азота с простетической

группой нитрогеназы

Как отмечалось выше, процесс фиксации атмосферного азота сопряжен с потреблением значительного количества энергии. Энергетические затраты составляют 12 молекул АТФ в расчете на две молекулы образующегося аммиака.

Балансовое уравнение реакции синтеза аммиака из молекулярного азота можно представить в следующем виде:

Нитрогеназная система участвует не только в фиксации атмосферного азота, но и в восстановлении ацетилена до этилена. На измерении скорости синтеза этилена растениями основано определение активности нитрогеназного ферментативного комплекса.

Образование аммиака – важная экономическая проблема в растениеводстве. Она связана с высокими энергетическими затратами на производство аммиака и аммиачных удобрений. В этой связи в настоящее время предпринимаются активные попытки на основе методов генетической инженерии внедрить в геном удобных для культивирования микроорганизмов гены, ответственные за синтез ферментов нитрогеназной системы.

Нитраты синтезируются нитрифицирующими бактериями путем окисления аммиака. Подвергаясь всасыванию корневой системой растений, они восстанавливаются. При этом происходит последовательное восстановление нитратов до аммиака согласно схеме, представленной на рис. 129.

Рисунок 129 – Схема процесса восстановления нитратов в растениях

Процесс восстановления нитратов в аммиак происходит с участием целого ряда ферментов и микроэлементов. Начальный его этап, связанный с восстановлением нитратов в нитриты, обеспечивается ферментом нитратредуктазой. Данный энзим представляет собой флавиновый фермент, в состав которого входит атом молибдена. Восстановление нитратов в нитриты происходит согласно схеме, представленной на рис. 130.

Рисунок 130 – Схема восстановление нитратов в нитриты

Контрольные вопросы

1. В чем суть кругооборота азота в природе?

2. Какие организмы способны утилизировать атмосферный азот?

3. Какова структура нитрогеназной системы?

4. Каким образом происходит энергетическое обеспечение процесса фиксации атмосферного азота?

5. Какие ферменты принимают участие в процессе нитрификации?