Біологічна фіксація атмосферного азоту і ферменти азотного метаболізму бульбочкових бактерій

У міру формування симбіозу проявляються такі важливі для селекції рослин ознаки, як азотфіксуюча активність (швидкість відновлення N2 в NH4 +) та симбіотична ефективність (здатність рослин інтенсивно розвиватися, використовуючи сімбіотрофне харчування азотом). З часом бульби старіють, тобто бактероїди і клітини рослини-господаря піддаються процесам деградації.

Утворення аміаку з N2 - екзотермічна реакція. N2 - надзвичайно стабільна молекула, вона містить потрійний зв'язок, і енергія, необхідна для активації цього зв'язку, дуже велика. Енергетичне забезпечення азотфіксації здійснюється за рахунок продуктів фотосинтезу рослин у формі сахарози; для азотфіксації рослина здійснює анаеробний етап - гліколіз, у результаті якого у бактероїди надходять С4-дикарбонові кислоти (сукцинат і малат). Таким чином, на долю мікросимбіонту припадає найбільш енергетично вигідна частина катаболізму - цикл трикарбонових кислот (ЦТК), у який можуть безпосередньо включатися сукцинат і малат.

У модельних експериментах з очищеними компонентами нітрогеназної системи можна доставляти енергію у вигляді АТФ і відновну силу у формі відновлених піридиннуклеотидів і ферредоксинів, використовуючи переносники, що містять флаводоксін.

Відновлений ферредоксин або флаводоксін переносить електрони на Fe-білок. При надлишку енергії, що виділяється в результаті гідролізу АТФ, потенціал окисно-відновних груп ферменту продовжує знижуватися, приводячи зрештою до утворення супервідновленого МоFe-білка, який зв'язує N2. Зв'язування молекули N2, мабуть, відбувається шляхом її впровадження у два метал-водневі зв'язки, утворені за участю молібдену.

Для активної роботи нітрогенази необхідні мікроаерофільні умови, які в бульбочках забезпечуються дифузним бар'єром (шар щільно прилеглих один до одного клітин у внутрішньому кортексе) і синтезом леггемоглобіну. Леггемоглобін зв'язує О2, транспортує його до сімбіосом, забезпечуючи дихальну активність бульбочок. Бульбочкові бактерії - аероби, і кількості кисню, що надходить в бактероїди за участю леггемоглобіну, цілком достатньо для синтезу АТФ в дихальному ланцюзі, але не настільки велике, щоб інактувати нітрогеназу.

Фіксований азот асимілюється у формі амонію, який включається у метаболізм рослинної клітини (первинна асиміляція), потім утворюються транспортні форми фіксованого азоту (наприклад, глутамін, аспарагін, алантоїн), які надходять із бульбочок до провідної системи кореня. Далі відбувається перерозподіл фіксованого азоту поміж різними органами рослин. Для сільськогосподарських культур важливого значення набуває накопичення зв’язаного азоту у зеленій масі кормових культур або у зерні. Це значно підвищує вміст білка і кормову або харчову цінність рослинницької продукції.

У багатьох діазотрофів нитрогеназа утворюється тільки тоді, коли вона необхідна, тобто за відсутності відповідного джерела зв'язаного азоту. Іони амонію пригнічують синтез нітрогенази. При низькій концентрації амонію його первинна асиміляція у більшості мікроорганізмів відбувається за рахунок послідовних реакцій, які каталізуються глутамінсинтетазою (ГС) і глутаматсинтазами (ГОГАТ). При цьому утворюється глутамін, а потім глутамат - центральний метаболіт синтезу амінокислот і ряду інших біологічно активних речовин. ГОГАТ каталізує відновного амінування α-оксоглутарата, використовувуючи як донори електронів НАДН або НАДФН, відновленний фередоксин.

Реакції, які катализируются ГС-ГОГАТ системою, є основним шляхом асиміляції амонію у ризобій. ГС на ряду з каталітичної функцією виконує роль дерепресора синтезу нітрогенази. Коли концентрація амонію в клітинах різко збільшена, в його асиміляції бере участь глутаматдегідрогеназа (ДГД) - фермент, який асоційований з ЦТК і каталізує відновне амінування α-оксоглутарату (інтермедіат ЦТК) до глутамату.

Розробка прийомів активації ферментів, які беруть участь в асиміляції аміаку дозволить направлено покращувати умови засвоєння азоту мікросимбіонтом і підвищувати азотний обмін в агрофітоценозах (наприклад, акивація ферментів регуляторами росту рослин, катіонами Mn²⁺ та Mg²⁺). Крім того, подібні дослідження можуть бути основою для селекційного відбіру штамів діазатрофів з високою інтенсивністю ключових ферментів азотного обміну.

Асиміляция амония бульбочковими бактеріями:

1) HOOCCH₂CH₂CH(NH₂)COOH ^{NH3, ATФ↓}_↓—→ H₂NCOCH₂CH₂CH(NH₂)COOH

_{AДФ+Фн + Н2О}

глутамат глутамінсинтетаза (ГС) глутамін

2) H₂NCOCH₂CH₂CH(NH₂)COOH ^{НAД(Ф)Н2↓}_↓——→ НООССН₂СН₂СН(NН₂)СООН

_НAД(Ф)

глутамін глутамат

+ глутаматсинтаза (ГОГАТ)

НООССН₂СН₂СОСООН

α-оксоглутарат

3) НООССН₂СН₂СОСООН ^{NH3, НAД(Ф)Н2↓}_↓——→ НООССН₂СН₂СН(NН₂)СООН

_{НAД(Ф) +Н2О}

α-оксоглутарат глутаматдегидрогеназа (ГДГ) глутамат