Биохимия фиксации азота (часть 3)
АТФ-зависимое выделение водорода. При условиях, оптимальных для фиксации азота in vitro, только 75% доступных электронов действительно используются для этой цели. Остальные 25% расходуются на восстановление протонов до водорода в АТФ-зависимом процессе, катализируемом нитрогеназой, который, как и процесс восстановления азота, нуждается в Mg2+ и восстановителе.
Многие азотфиксирующие бактерии, по-видимому, не могут избежать этой продуцирующей водород побочной реакции, которая, вероятно, и является причиной низкой эффективности фиксации азота этими клетками, ведь АТФ, расходуемый на восстановление протонов, на которое используется до трети энергии, протекающей через нитрогеназу, тратится впустую. В нормальных условиях Azotobacter не выделяет водород, поскольку его гидрогеназа (фермент, в норме катализирующий выделение водорода и поглощение его клеткой, в отличие от пути через нитрогеназу) катализирует только поглощение водорода и не поддерживает обратную реакцию, таким образом, водород эффективно захватывается клеткой и может быть использован повторно.
Симбиотические клубеньковые бактерии также выделяют различные количества водорода, и в некоторых ассоциациях растение-бактерии при выделении водорода теряется до 50% доступного АТФ и восстановителя. Так, в корневых клубеньках сон и других бобовых растений потери АТФ и восстановителя на катализируемое нитрогеназой выделение водорода достигают 40-60% всего потока энергии через нитрогеназу. С точки зрения продуктивности сельского хозяйства это означает, что более сопряженные (не выделяющие водорода) симбиотические системы эффективнее, поскольку они могут фиксировать больше азота на единицу солнечной энергии, чем менее сопряженные системы, выделяющие водород. В целом ассоциации с небобовыми растениями, по-видимому, характеризуются большей степенью сопряжения, чем большинство ассоциаций с бобовыми растениями.
Функции двух белковых компонентов нитрогеназы. Для функционирования нигрогеназы необходимо образование комплекса между Fe-белком и Mo — Fe-белком с молярным соотношением компонентов 1:1. Mo — Fe-белок существует в трех различных состояниях, каждое из которых характеризуется определенной долей восстановленных атомов железа в молекуле. Наиболее окисленная форма, пo-видимому, не имеет никакого физиологического значения, в промежуточной форме белок обычно выделяют, а наиболее восстановленная форма появляется лишь при наличии всех условий для фиксации азота, т.е. в присутствии АТФ, Mg2+ и восстановителя, и эта форма преобладает, когда нитрогеназа участвует в фиксации азота.
