Фиксация азота

Микроорганизмы способны фиксировать свободный азот из воздуха.

Прежде чем такой окисленный элемент станет составной частью аминокислот он должен быть восстановлен. Основными компонентами системы фиксации азота являются сильные восстановители: АТФ, ферредоксин или флаводоксин и нитрогеназный комплекс (слайд 13.12).

Нитрогеназа – двухкомпонентный ферментный комплекс, каждый компонент которого неактивен в отдельности (слайд 13.13). Молекулярные массы компонентов различны: у большого компонента – 150...270 кДа, малого – 50...70 кДа. Большой компонент – железо-молибден-протеин (молибдоферредоксин), малый – железо-протеин (азоферредоксин). 

Восстановление N₂ до NН₃ с участием нитрогеназы происходит по следующей суммарной реакции (18):

N₂ + 6Fe²⁺ + 6H⁺ + 12АТФ → 

                                     → 2NH₃ + 6Fe³⁺ + 12АДФ + 12Ф_н         (18)

Кислород репрессирует синтез нитрогеназы. Ее активность проявляется при низкой концентрации кислорода в газовой среде. Даже аэробные азотфиксаторы осуществляют процесс фиксации азота в микроаэробных условиях. Так, свободноживущий азотфиксатор Azotobacter образует слизь, препятствующую диффузии кислорода в клетки. К тому же азотобактер часто находится в ассоциации с не азотфиксирующими аэробами (слайд 13.14).

Клубеньки, где происходит фиксация азота бактериями рода Rhizobium, ограничивают доступ молекулярного кислорода. Эту же функцию выполняет леггемоглобин, активно связывающий кислород и контролирующий его поступление в бактероиды. У цианобактерий стенка гетероцисты надежно отделяет фермент от выделяемого ими кислорода в процессе фотосинтеза.

Нитрогеназа восстанавливает не только азот, но и неспецифические для нее субстраты: оксиды азота, цианиды, ацетилен и другие соединения с тройной связью.

Усвоение минеральных соединенийазота

 Образование нитрогеназы связано с наличием в клетках азотфиксирующих микроорганизмов nif-плазмиды, содержащей nif-ген, регулирующий синтез этого белка. Передача nif-плазмиды от одного вида бактерий к другому может привести к появлению азотфиксирующей способности у новых видов микроорганизмов.

Способность микроорганизмов фиксировать азот атмосферы и обогащать им почву нашла применение в сельском хозяйстве. На основе использования таких микроорганизмов, как клубеньковые бактерии и азотобактер, получают бактериальные удобрительные препараты нитрагин и азотобактерин.

Ассимиляционная нитратредукция

Многие микроорганизмы способны восстанавливать нитраты до аммиака – ассимиляционная нитратредукция (слайд 13.15). В этом случае нитрат вначале восстанавливается в нитрит с помощью фермента нитратредуктазы. Донором электронов у бактерий выступает НАД-Н₂, а у грибов – НАДФ-Н₂. Нитратредуктаза (М = 800 кДа) – тетрамер, состоящий из двух димеров, одна субъединица димера имеет молекулярную массу 150 кДа, другая – 50 кДа. Это также молибденсодержащий фермент. Реакция восстановления нитратов в присутствии нитратредуктазы протекает в две стадии (19, 20):

Аммиак, образующийся различными путями в природе, включается в состав органических соединений, и прежде всего – аминокислот, благодаря трем главным реакциям: аминирования, амидирования и переаминирования.

Синтез аминокислот

Большинство прокариот способны синтезировать все аминокислоты, входящие в состав клеточных белков, но есть виды, нуждающиеся в большинстве аминокислот. В качестве исходных углеродных скелетов для биосинтеза аминокислот служит небольшое число промежуточных соединений различных метаболических путей. Введение в молекулу некоторых из них аминного азота приводит к образованию аминокислот. Однако в большинстве случаев исходные соединения должны подвергнуться значительным перестройкам, чтобы сформировать углеродный остов молекулы будущей аминокислоты.

Аммиак включается в состав аминокислот, благодаря трем главным реакциям: аминирования, амидирования и переаминирования (слайд 13.16).

Синтез аминокислот

Реакции аминирования приводят к образованию из пировиноградной кислоты аланина, а из α-кетоглутаровой – глутаминовой кислоты (слайд

13.17).

Реакции амидирования ведут к образованию глутамина и аспарагина из глутаминовой и аспарагиновой кислот. Глутаминовая кислота и глутамин прямо или косвенно служат донорами амино- и амидогрупп при синтезе практически всех аминокислот и других азотсодержащих органических соединений. Аспарагин используется только для синтеза белковых молекул (слайд 13.18). 

Во все остальные аминокислоты азот вводится посредством реакций переаминирования, катализируемых соответствующими аминотрансферазами, во всех реакциях одним из участников является глутаминовая кислота (слайд 13.19).

Еще одним путем включения азота аммиака в состав органических соединений является реакция, катализируемая карбамоилфосфат-синтетазой и приводящая к образованию карбамоилфосфата. Дальнейшее использование азота карбамоилфосфата происходит по двум путям: для синтеза пиримидинов и аргинина (слайд 13.20).

Особенностью биосинтеза аминокислот является использование общих биосинтетических путей. Так, 19 из 20 аминокислот, входящих в состав белков, можно по способу их происхождения разделить на 5 групп. Только одна аминокислота (гистидин) образуется по отдельному биосинтетическому пути (слайд 13.21). 

Вновь синтезированные аминокислоты включаются в белки под контролем генетического аппарата клетки.

Регуляция метаболизма

Многообразие обменных процессов, необходимых для синтеза различных веществ и роста клеток, требует их хорошей координации. Регуляция метаболизма – управление скоростью биохимических процессов путем обратимого изменения количества ферментов, участвующих в этих процессах, или их активности. Регуляция клеточного метаболизма происходит на двух уровнях: 

– на уровне биосинтеза ферментов,

– на уровне изменения их активности (слайд 13.22).

На уровне биосинтеза ферментов регулируются, как правило, многие метаболические процессы (анаболизм и катаболизм). Как выяснилось, экспрессия генов у прокариотов регулируется главным образом на уровне транскрипции. Ферменты и другие белковые посредники можно подразделить на два основных класса: конститутивные и индуцибельные.

Многие ферменты образуются непрерывно вне зависимости от условий среды и наличия в клетке соответствующих субстратов; такие ферменты называют конститутивными. Синтез других белков резко ускоряется в присутствии их субстратов. Такое явление было названо индукцией, а сами белки – индуцибельными.

Образование катаболических ферментов регулируется путем индукции. Все другие катаболические ферменты, которые клетка способна синтезировать, не должны образовываться, пока в них нет надобности (слайд 13.23).

Если в питательной среде содержится только один субстрат, то в клетках образуются ферменты, необходимые для расщепления именно этого субстрата. Соответственно говорят об индукции ферментов, индуцирующем субстрате и индуцируемых (индуцибельных) ферментах. Для синтеза большинства ферментов, участвующих в катаболизме субстратов, требуется индукция.

Образование анаболических ферментов регулируется путем репрессии. В присутствии конечного продукта или при его накоплении снижается скорость синтеза всех ферментов, специфичных для данного биосинтетического пути. Если в среде имеются одновременно два субстрата, то бактерия обычно «предпочитает» тот субстрат, который обеспечивает более быстрый рост. Синтез ферментов, расщепляющих второй субстрат, репрессируется; в этом случае говорят о катаболитной репрессии (слайд

13.24).

Регуляция на уровне активности ферментов свойственна, как правило, только ключевым ферментам клеточного метаболизма. Каталитическая активность ферментов может подвергаться изменениям: повышаться (под действием положительного эффектора) или снижаться (под действием отрицательного эффектора). При ингибировании конечным продуктом (ретроингибировании) этот продукт подавляет активность первого фермента, участвующего в данной цепи реакций (слайд 13.25).

Оба типа регуляции – индукция и репрессия, с одной стороны, и изменение активности фермента, с другой, приводят к почти одинаковому результату: они влияют на «пропускную способность» того или иного метаболического пути. Индукция и репрессия действуют медленно, и их можно рассматривать как механизмы грубой регуляции. Изменение активности ключевого фермента проявляется мгновенно; это уже тонкая регуляция.