А.И. Нетрусов, И.Б. Котова - Микробиология (1125593), страница 37
Текст из файла (страница 37)
агойае), растущие в пазухах листьев. Считалось, что такие диазотрофы способны фиксировать азот только в симбиозе. В настоящее время показано, что если снизить парциальное давление кислорода, то симбионты смогут фиксировать азот и в чистой культуре, без растения-хозяина. Однако симбиотическая азотфиксация значительно эффективнее. Возникает вопрос, как симбионты находят друг друга? Обнаружено, что растения выделяют белковые аттрактанты-лектины, имеющие сродство к микробным полисахаридам, а микроорганизмы могут синтезировать стимуляторы роста растений (гетероауксины, индолилуксусную кислоту). Подробнее процесс «узнавания» симбионтами друг друга и механизм образования клубеньков описан в гл. ! 1.
212 Процесс фиксации молекулярного азота Несмотря на разнообразие микроорганизмов, осуществляющих азотфиксацию, ферментный комплекс нитрогеназы одинаков и у анаэробов, и у аэробов. Один из ее отличительных признаков— чрезвычайная чувствительность к наличию кислорода. Поэтому у аэробных микроорганизмов существует проблема зашиты нитрогеназы от кислорода. Разные микроорганизмы решают ее разными путями. У цианобактерий имеются специализированные клеткигетероцислгы, в которых нет ФС Н 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 О, (Км= 1О ' — 1О 6, т е. в 1Π— 100 раз выше обычной), недопускающая метаболический кислород к нитрогеназе. Обнаружено, что некоторые свободноживушие аэробы обладают нитрогеназой, белковая часть которой имеет особую конформацию, менее чувствительную к О,.
Некоторые аэробные азотфиксаторы выбирают микроаэрофильные 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 наномолярными количествами кислорода. Интересно, что синтез этого соединения происходит совместно — белковую часть образует растение, а гем синтезирует бактероид. На срезах клубеньков леггемоглобин выделяется красным цветом. Фиксация азота жестко регулируется наличием его связанных форм.
Нитрогеназа рспрессируется, если в среде есть!Ч Н4 (рис. 142). Итак, газ азот — это химически инертное и очень стабильное вещество. Чтобы разорвать тройную связь в его молекуле, необходимо много энергии. Реакция ЗН1+ )Ч~ -+ 2)ЧН, — эндотермическая. Для ее осуществления требуется по крайней мере 8 электронов и 16 молекул АТФ. На самом деле АТФ затрачивается больше, поскольку часть ее нужна для поддержания анаэробных условий. Нитрогеназный ферментный комплекс состоит из двух компонентов: Мо-Ге-белок с молекулярной массой 220 кДа и Гебелок — 64 кДа (рис.
143). Мо-Ге-белок содержит два атома молибдена и 28 — 32 атомов железа, в Ге-белке — 4 атома железа. Для проявления нитрогеназной активности необходимы оба компонента„ 213 1С1 этилена Рис. 142. $тт11сп-о(à — эффект ионов аммония на активность нит1югенаэ- ного комплекса Время но они взаимозаменяемы у разных микроорганизмов. Мо-Ге-белок состоит из четырех субъединиц: 2а (кодируются ш72)-геном) и 2)) (л(7К-ген). Ге-белок состоит из двух субъединиц. Ферредоксин восстанавливается либо в реакциях фотосинтеза у фототрофов, либо при дыхании у аэробных диазотрофов, или при брожении у анаэробов.
При фиксации азота всегда выделяется молекулярный водород: 1Ч,+ Зе+ 8Н'+ 16АТФ вЂ” Мйп — э 2НН,+ НтТ+ 16АДФ вЂ” М8" Реакция проходит в несколько стадий: Х ьа)Ч вЂ” РВ1 -уНХ= = ХН вЂ” пщ — -эНтХ вЂ” ННт — '-'-"-' — э2ННэ. Первым свободным продуктом является аммиак, все промежуточные продукты связаны с ферментным комплексом. В отсутствие Нт нитрогеназа интенсивно выделяет Н», так как электроны восстановителей необходимо сбросить. Несмотря на высокое сродство нитрогеназы к 1Чн она не очень специфична и может восстанавливать и другие соединения: С,Н, — э СтН4, НСН -э СН4+ )у(Нь Как отмечалось ранее, нитрогеназа крайне чувствительна к кислороду.
Однако в 1997 г. появилось сообщение о выделении нитрогеназы, нечувствительной к кислороду. При изучении карбоксидобактерий — аэробов, окисляющих СО и имеющих устойчивую к угарному газу оксидазу, выделен микроорганизм Юггерщтусез йегтлоаигоггпрй(сик Проба была отобрана из верхней части дерна углежоговой ямы лля получения древесного угля из березовых поленьев путем медленного тления (Бавария). Х глегтоаию- Субстрат 16Маа+ АТФ 16Ма + АДФ 16Фа Рис. 143. Работа нитрогеназното комплекса 214 ггорЬ(сиз — автотроф, аэроб, термофил (температура роста — до 70 С), азотфиксатор. Нитрогеназа этого организма зависит от Ои СО и супероксидрадикала: со "'" со,+» 20, + 2е -+ 202 20з -» 20з + 2е л, ° 2« "' лн, Эта нитрогеназа не способна восстанавливать ацетилен в этилен, менее требовательна к АТФ (4 — 12), по субъединичному составу не похожа ни на один известный фермент, хотя также содержит Мо2'.
В настоящее время л(1-'гены успешно «пересажены» из К1еЬз(е11а в Е. со11, но, к сожалению, они там «не работают», так как у организма-реципиента нет стратегии защиты нитрогеназы от кислорода. С открытием устойчивой к кислороду нитрогеназы эта проблема может быть решена. Практическое применение диазотрофов в деятельности человека заключается, в основном, во внесении этих микроорганизмов либо в почву (свободноживущие бактерии — в виде удобрения азотобактерина), либо на корни или семена растений (симбиотические бактерии — в виде нитрагина).
Цианобактерии эффективно «работают» на рисовых полях, а во Вьетнаме хорошим «зеленым» удобрением служит водный папоротник А2о11а в симбиозе с АпаЬаепа. Продолжаются работы по внедрению л(7'-генов в другие полезные микроорганизмы. Контрольные вопросы 1. Какое значение имеет процесс азотфиксации? 2. Охарактеризуйте группы свободноживуших, ассоциативных и симбиотических азотфиксаторов. 3.
Перечислите известные способы зашиты нитрогеназного комплекса от кислорода. 4. Как функционирует нитрогеназный комплекс и насколько универсально его строение? 5. Опишите свойства микроорганизма, образующего нитрогеназу, не чувствительную к кислороду. Глава 8 БИОСИНТЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ У МИКРООРГАНИЗМОВ Общие понятия А:В:С Гз: Е: Р: Π— У Е~ г Макромолекулы Предшественник Рис. 144. Простейшая схема регуляции амфиболических путей (активация фермента Е~ приводит к сдвигу реакций в сторону биосинтсза, Е,— в сторону расщепления) 216 Многие реакции ассимиляции подробно описаны при рассмотрении различных физиологических групп микроорганизмов, поэтому здесь будет дан краткий обзор конструктивных процессов в мире микробов. Итак, анаболизм — это совокупность реакций построения сложных молекул и структур из более простых и небольших предшественников с использованием метаболической энергии.
Катаболические и анаболические пути могут различаться ферментами, их регуляцией, внутриклеточной локализацией и использованием кофакторов и переносчиков. Многие ферменты алгфиболическик путей участвуют как в реакциях анаболизма, так и в катаболических реакциях. Например, большинство гликолитических ферментов принимает участие как в синтезе, так и в катаболизме глюкозы, тогда как жирные кислоты синтезируются из ацетил- КоА и малонил-КоА путем, совершенно отличным от 1)-окисления. В активных клетках всегда поддерживается равновесие между процессами анаболизма и катаболизма.
На рис. 144 изображена простейшая схема, показывающая за счет чего можно амфиболические ферменты заставлять работать либо в сторону биосинтеза («включая» Е2-фермент), либо в сторону деградации («активируя» Е,-фермент). Ассимиляция углерода Источником углерода для автотрофов служит СОн для гетеротрофов — органические соединения. Фиксация СОм Основные пути ассимиляции углекислоты автотрофами следующие: ° рибулозобисфосфатный цикл (цикл Кальвина, рис. 145) с ключевым ферментом РБФ-карбоксилазой (может работать как оксигеназа, рис. 146), функционирующий в том числе у растений; ° восстиновительный цикл трикарбоновых кислот (цикл Арнона) с ключевым ферментом цитратлиазой найден у зеленых серных бактерий и у аэробов рода Нудгобепобасгег (см. рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
