21.1. Микроорганизмы используют АТР и сильный восстановитель для превращения N2 в NH4

Атомы азота аминокислот, пуринов, пиримидинов и других биологических молекул происходят из Высшие организмы неспособны включать в органические соединения. Это превращение - азотфиксации — осуществляется только бактериями и сине-зелеными водорослями (цианобакте-риями). Некоторые из этих микроорганизмов, а именно бактерии Rhizobium, заражают корни бобовых растений и образуют корневые клубеньки, в которых и происходит азотфиксация (рис. 21.2). Взаимоотношения между бактериями и растением носят характер симбиоза. Считается, что микроорганизмы переводят в органическую форму примерно в год.

Энергия связи составляет 225 ккал/моль. Эта связь весьма устойчива к химическим воздействиям. Ведь Лавуазье назвал этот элемент из-за его инертности «азот», что означает «безжизненный». Промышленный процесс азотфиксации был разработан Фрицем Габером (Fritz Haber) в 1910 г. и используется в настоящее время при производстве удобрений:

Эту реакцию обычно проводят в присутствии железа в качестве катализатора при температуре около 500° С и давлении 300 атм. Неудивительно поэтому, что биологический процесс азотфиксации осуществляется сложным ферментом. Нитрогеназный комплекс, катализирующий эту реакцию, состоит из белковых компонентов двух типов: редуктазы, которая поставляет электроны с высокой восстановительной способностью, и собственно нитрогеназы, которая использует эти электроны для восстановления до (рис. 21.3). Оба компонента представляют собой железосеропротеины в которых железо

Рис. 21.1. (см. скан) Электронная микрофотография глутамин-синтетазы Е. coli. Этот фермент играет ключевую роль в метаболизме азота. (Печатается с любезного разрешения д-ра Earl Stadtman.)

связано с атомом серы остатка цистеина и с неорганическим сульфидом (разд. 14.4), Нитрогеназный компонент комплекса содержит, кроме того, один или два атома молибдена, поэтому раньше его называли Мо-Fe-белком, Его субъединичная структура а мол, масса — Редуктазный компонент - (называемый также Ре-белком) состоит из двух идентичных полипептидов. Его мол. масса — В нитрогеназном комплексе один или два -белков связаны с Mo-Fe-белком,

Для превращения в под действием нитрогеназного комплекса необходимы АТР и мощный восстановитель. У большинства азотфиксирующих микроорганизмов источником электронов с высоким потенциалом для этой шестиэлектронной реакции служит восстановленный ферредоксин} переносчик электронов, который мы уже рассматривали при обсуждении фотосинтеза (разд. 19,9). Регенерирует ли затем восстановленный ферредоксин путем фотосинтеза или в результате окислительных процессов, зависит от организма. Реакции, катализируемые нитрогеназным комплексом, имеют следующую стехиометрию;

Проведенные недавно исследования нитрогеназы свидетельствуют о следующей последовательности реакций. Сначала восстановленный ферредоксин отдает электроны редуктазному компоненту комплекса, На втором этапе АТР связывается с редуктазой и сдвигает ее окислительно-восстановительный потенциал с — 0,29 до - 0,40 В путем изменения ее конформации, Это увеличение восстановительной способности редуктазы позволяет ей переносить электроны на нитрогеназный компонент. На третьей стадии происходит перенос электронов, гидролизуется АТР и редуктаза отделяется от нитрогеназного компонента. Наконец, связывается с нитрогеназным компонентом комплекса и восстанавливается до

Поскольку источники энергии для химического производства аммиака по методу Габера истощаютсй и становятся все дороже, специалисты проявляют всевозрастающий интерес к увеличению азотфиксации микроорганизмами. Один из возможных

Рис. 21.2. Клубеньки на корневой системе сои - место, где происходит азотфиксация бактериями Rhizobium. (Фотография предоставлена Joe С, Burton, Nitrogen Company, Inc.)

подходов состоит в том, чтобы гены, необходимые для азотфиксации, ввести в растения, не относящиеся к бобовым, например

в злаки. Трудность, которую предстоит преодолеть, состоит в исключительной чувствительности нитрогеназного комплекса к инактивации в присутствии кислорода. Бобовые растения поддерживают чрезвычайно низкую концентрацию в корневых клубеньках путем связывания с леггемоглобином. Еще одна проблема на пути создания новых азотфиксирующих видов - необходимость необычайно быстрого образования АТР. Ведь азотфиксирующие бактерии в корнях бобовых растений потребляют примерно пятую часть всего АТР, который образуется в растении. Существует и другой подход - увеличение скорости азотфиксации в клетках сине-зеленых водорослей, которые образуют собственный АТР путем фотосинтеза и поэтому не зависят от энергетических реакций симбиотического партнера.