Нитрогеназа
Cтраница 3
Растениями атмосферный азот не фиксируется и не усваивается. Фиксация азота сводится к поглощению его бактериями, где он связывается в виде комплекса ферментом нитрогеназой, осуществляющим постадииное восстановление азота до аммиака. Нитрогеназа представляет собой сложный фермент, в состав которого входят несколько белковых молекул, связанных с достаточно большим количеством атомов сульфидной серы, атомами железа в виде кластеров - это мощная восстановительная система - и двумя атомами молибдена, выполняющими функцию комплексооб-разователя по отношению к азоту. [31]
Изученные образцы нитрогеназы состоят из двух основных, компонентов - редук-тазы несобственно нитрогеназы. Оба компонента имеют в своей основе ферредок-сины, содержащие железосериые кластеры ( см. § 2.6), а нитрогеназа, кроме того, содержит молибден. Редуктаза, обеспечивающая подачу на нитрогеиазу электронов с высокой восстанавливающей способностью, при своем функционировании расходует АТФ. [32]
Данные, полученные для бактериальной нитрогеназы, свидетельствуют об активации молекулярного азота ионами металла. Существенными компонентами бактериальной системы фиксации азота считаются молибден, негемовое железо и кислотно-лабильные сульфиды, поэтому естественно, что большая часть попыток построить химические модели нитрогеназы была основана на предположении, что железо и молибден - ключевые элементы фиксации азота. В отсутствие внешних субстратов и в меньшей степени при наличии субстратов в присутствии нитрогеназы наблюдается выделение водорода. Поскольку ацетилен одновременно является конкурентным ингибитором фиксации азота и потому предполагается, что он связывается с активным центром фермента, его неоднократно использовали в качестве удобного субстрата для испытания нитрогеназной активности как нативного фермента, так и его химических моделей. Адекватность модели нитрогеназы может быть окончательно установлена по ее способности катализировать восстановление молекулярного азота при комнатной температуре и обычном давлении. [33]
Растениями атмосферный азот не фиксируется и не усваивается. Фиксация азота сводится к поглощению его бактериями, где он связывается в виде комплекса ферментом нитрогеназой, осуществляющим постадииное восстановление азота до аммиака. Нитрогеназа представляет собой сложный фермент, в состав которого входят несколько белковых молекул, связанных с достаточно большим количеством атомов сульфидной серы, атомами железа в виде кластеров - это мощная восстановительная система - и двумя атомами молибдена, выполняющими функцию комплексооб-разователя по отношению к азоту. [34]
Детально охарактеризована нитрогеназа, азотфиксирующий фермент. Молекулярно-генетические исследования показали, что фиксация азота бактериями - это сложный процесс; в нем участвует семь координирование регулируемых оперонов, кодирующих в общей сложности 20 разных белков. Это делает пока невозможным создание с помощью методов генной инженерии растений, которые могли бы сами усваивать азот, и других азотфик-сирующих бактерий. [35]
Несмотря на разнообразие микроорганизмов, осуществляющих азотфиксацию, ферментный комплекс нитрогеназы одинаков и у анаэробов, и у аэробов. Поэтому у аэробных микроорганизмов существует проблема защиты нитрогеназы от кислорода. Разные микроорганизмы решают ее разными путями. У цианобактерий имеются специализированные клетки-гетероцисты, в которых нет ФС II и поэтому при фотосинтезе не образуется кислород, а толстая клеточная стенка препятствует его диффузии снаружи. Активная оксидазная система тут же восстанавливает проникший кислород. У азотобактера сильно развита слизистая капсула, препятствующая проникновению кислорода, и уникальная оксидазная система с очень высоким сродством к О2 ( А м 10 7 - 10 - 6, т.е. в 10 - 100 раз выше обычной), не допускающая метаболический кислород к нитрогеназе. Некоторые аэробные азотфиксаторы выбирают мик-роаэрофильные местообитания или сосуществуют в экосистемах с организмами, активно потребляющими кислород. Факультативные анаэробы фиксируют азот только в анаэробных условиях. Наиболее изощренная защита нитрогеназы обнаружена у клубеньковых бактерий, которые снабжают растение связанным азотом. Растение же защищает бактероиды и дает им продукты фотосинтеза - органические вещества. Для защиты нитрогеназы в клубеньках синтезируется леггемоглобин - самый высокочувствительный к кислороду белок-оксидаза. Леггемоглобин реагирует с наномолярны-ми количествами кислорода. Интересно, что синтез этого соединения происходит совместно - белковую часть образует растение, а гем синтезирует бактероид. На срезах клубеньков леггемоглобин выделяется красным цветом. [36]
Единственная реакция, протекающая при условиях, которые могут реализоваться в биологических системах, - это образование комплексов с ионами переходных металлов. Образование двухъ-ядерных комплексных ионов [ ( NH3) 5Ru ( N2) Ru ( NH3) 5 ] 4 из акво-иона [ Ru ( NH3) 5H2O ] 2 [ 146l указывает на способность молекул азота эффективно конкурировать с водой за место в лигандной сфере металла. Одновременно это означает, что в нитрогеназе может находиться металлсодержащий центр, в котором молекулы воды могут замещаться молекулами азота. Если ферментативная фиксация азота происходит на атоме металла, то молекула азота должна вытеснять образующийся аммиак, для того чтобы замкнуть каталитический цикл. [37]
В отсутствие субстрата бесклеточная ферментная система восстанавливает протоны до молекулярного водорода; эта реакция обычно сопровождает и восстановление азота. В обзорах [8] указывается, что выделение свободного водорода представляет собой общее явление, тесно связанное с фиксацией азота в клубеньковых азотфиксирующих симбионтах, и что обусловленные этим энергетические потери, сказывающиеся на процессе переноса электронов к азоту при посредстве нитрогеназы, могут серьезно снижать эффективность фиксации азота многими бобовыми растениями. Интересно, что монооксид углерода ингибирует все реакции нитрогеназы кроме образования водорода. [38]
В обычных условиях роста на свету фиксации N2 у них, правда, не происходит, так как фермент нитрогеназа очень чувствителен к кислороду. II ( так что выделение О2 прекратится), то будет синтезироваться нитрогеназа. Таким способом удалось доказать, что более половины изученных штаммов способно к образованию нитрогеназы. [39]
 |
Гены К. pneumoniae, участвующие в фиксации азота, и кодируемые ими белки ( или функции. [40] |
Поэтому вряд ли можно было ожидать, что вся генетическая информация, необходимая для фиксации азота, будет содержаться в каком-то одном фрагменте ДНК и что этот фрагмент удастся вычленить из генома диа-зотрофного микроорганизма и перенести в не-диазотрофный организм. Следует еще учесть, что физиологические условия в организме реципиента должны быть подходящими для функционирования активной нитрогеназы. Более приемлемый способ выделения генов азотфиксации ( лг / - генов) состоял в том, чтобы идентифицировать и охарактеризовать те клоны библиотеки ДНК дикого типа, которые восстанавливают способность различных мутантов данного микроорганизма фиксировать азот. Такой метод называется генетической комплементацией. [41]
Точный механизм участия молибдена в катализе неизвестен. Этот сигнал легко распознать по его характерной сверхтонкой структуре, содержащей шесть линий. Такой сигнал был зарегистрирован в случае ксантиноксидазы, нитратредуктазы и сульфитоксидазы при их взаимодействии с субстратами. Однако нитрогеназа дает только сигналы ЭПР, характерные для железа. Более того, нет никаких данных, из которых следовало бы, что N2 в нитрогеназе реагирует непосредственно с атомами молибдена. [42]
При такой координации один из атомов азота передает несвязывающую пару электронов для взаимодействия с вакантными орбиталями атома металла. Координация резко ослабляет тройную связь, и азот приобретает возможность вступать в реакции. Однако эти реакции не являются самопроизвольными ( АСреакции 0) и для их протекания требуется подвод энергии. Такой механизм реализуется на нитрогеназе - природном катализаторе фиксации азота клубеньковыми микроорганизмами. В белковой глобуле этого фермента существует сложный активный центр - сульфидный комплекс молибдена и железа. Он способен не только координировать азот, но и превращать его в аммиак. [43]
Азотфиксирующая активность выявлена более чем у 250 штаммов, принадлежащих к разным группам фототрофных эубактерий. Примерно половину из них составляют цианобактерий. Способность последних к фиксации N2, определяемая по наличию нит-рогеназной активности, зависит от условий и в первую очередь от содержания в среде связанного азота и молекулярного кислорода. Основное место действия обоих факторов - нитрогеназа. В первом случае источники связанного азота репрессируют синтез и инги-бируют активность фермента, во втором - 02 быстро инактиви-рует его. [44]
Предполагается [81] следующая общая схема механизма фотосинтетИ ческого выделения водорода. Солнечный свет поглощается светочувствительным пигментом, например белком хлорофилла. При помощи активных центров белка эта энергия сообщается электронам, источником которых может служить некоторое донорное вещество. По современным представлениям таким катализатором является фермент гидрогеназа или нитрогеназа. [45]
Страницы: 1 2 3 4