Microbiology

Связывание М₂-это восстановительный процесс, и первым его продук том, который можно обнаружить, является аммиак. Процесс восстано вления происходит на ферментном комплексе - нитрогеназе. Нитрогена-за состоит из двух компонентов: белка, в состав которого входят молибден, железо и сера, и белка, содержащего железо и серу. Как сам фермент, так и процесс фиксации N₂ отличаются крайней чувствитель ностью к молекулярному кислороду. Это позволяет понять, почему как у свободноживущих азотфиксирующих бактерий, так и в ткани клубень ков есть особые механизмы, защищающие нитрогеназу от высокого парциального давления кислорода.

Для связывания молекулярного азота необходимы восстановитель ная сила и энергия (рис. 13.2), которые могут быть получены в процессе фотосинтеза, брожения или дыхания. В модельных экспериментах с очи­щенными компонентами нитрогеназной системы (in vitro) можно доста влять энергию в виде АТР и восстановительную силу в форме восстано вленных пиридиннуклеотидов и ферредоксинов, используя переносчики, содержащие флаводоксин. Затраты АТР при этом очень высоки.

Нитрогеназная система восстанавливает не только молекулярный азот (N=N), но и ацетилен (НС=СН), азид, закись азота, цианид, ни триты, изонитрилы и протоны. На восстановлении ацетилена основан наиболее простой метод, позволяющий выявить нитрогеназу. Ацетилен восстанавливается только до этилена, который легко поддается количе ственному определению с помощью газовой хроматографии. Все до сих пор исследованные азотфиксирующие микроорганизмы и симбиотиче-ские системы способны восстанавливать ацетилен.

Если не г молекулярного азота, нитрогеназная система восстанавливает протоны до молекулярного водорода. Таким образом, нитрогеназная система обладает также свойствами АТР-зависимой Н₂-образующей гидрогеназы. По скольку молекулярный водород образуется и в присутствии N₂, можно вклю чить соответствующую реакцию в уравнение, описывающее фиксацию азота:

8[Н]   +   N₂   +   2Н⁺   -  2NH₄⁺   +   Н₂

Большинство азотфиксирующих бактерий содержит наряду с нитрогеназой и (классическую) гидрогеназу. активирующую Н₂. Функция этой гидрогеназы за ключается, по-видимому, в использовании водорода, образующегося при фикса ции молекулярного азота.

Регуляция связывания азота. У многих бактерий нитрогеназа обра зуется только тогда, когда она необходима, т. е. в отсутствие подходя щего источника связанного азота. Ионы аммония подавляют синтез ни-трогеназы. У пурпурных и зеленых бактерий под влиянием этих ионов уменьшается также активность уже синтезированного фермента. В регу ляции образования нитрогеназы большую роль, очевидно, играет глу-таминсинтетаза. Глутаминсинтетаза и глутаматсинтаза нужны бакте риям для включения ионов аммония в органические соединения в том случае, если эти ионы присутствуют лишь в низкой концентрации. Эта система обладает высоким сродством к ионам аммония и поддерживает их концентрацию в клетке на низком уровне. Повышение концентрации ионов аммония в окружении клетки (а тем самым и внутри клетки) по давляет образование глутаминсинтетазы, а в результате-и нитроге назы.

Перенос генов азотфиксацни («(/-генов). Способность к азотфиксации удается передавать путем прямого межклеточного контакта от одной бактерии к другой. Возможность передачи «(/-генов от Klebsiellapneumoniae к Escherichia coli путем конъюгации, а также факт локализа ции этих генов в плазмиде позволяют надеяться, что в близком буду щем удастся осуществить передачу их другим видам бактерий¹, а может быть, даже эукариотическим организмам. Но поскольку для фиксации азота кроме нитрогеназы нужен еще специфический белок, содержащий железо и серу, а также требуется защита этого фермента от 0₂, по добные эксперименты сопряжены с большими трудностями.