7.1.2.7 Организация клубеньков и биохимия азотфиксации

Микроорганизмы, усваивающие молекулярный азот, называются диазотрофами. Азотфиксирующий клубенек состоит из следующих частей:

а) инфицированная бактериями ткань;

б) проводящая ткань, поставляющая углеводы и выносящая продукты азотфиксации;

в) меристема, за счет которой идет рост клубенька.

Основным элементом симбиоза является нитрогеназа – многомерный фермент, состоящий из комплекса двух белков: MoFe-белка и Fe-белка. Нитрогеназы из разных азотфиксаторов несколько различаются своими молекулярными массами и содержанием металлов. Каждый из белков, в свою очередь, состоит из нескольких субъединиц. Молекулярная масса MoFe-белка различных нитрогеназ находится в пределах 200-250 кДа. Фермент содержит по два атома молибдена, 28-34 атома железа и 18-24 атома серы на одну молекулу. Молекулярная масса Fe-белка колеблется от 50 до 70 кДа и также содержит атомы железа и серы с молекулярной массой около 300 кДа. Нитрогеназа синтезируется в бактероидах и является катализатором фиксации азота:

Этот процесс требует значительных затрат энергии. По расчетам для клеток Rhizobium на восстановление одной молекулы N₂ необходимо до 25-35 молекул АТФ, то есть на каждый грамм фиксированного азота расходуется три-шесть грамм органического углерода. Другими словами, растение в клубеньки поставляет 30-40 % продуктов фотосинтеза. Примерно половина из них возвращается в надземную часть в виде азотистых соединений.

Нитрогеназа обладает низкой субстратной специфичностью, т.е. обладает способностью восстанавливать широкий спектр соединений с тройной связью, например, превращать ацетилен в этилен. Данная реакция применяется для определения нитрогеназной активности ацетиленовым методом. Для активной работы нитрогеназы необходимы микроаэрофильные условия, которые в клубеньке обеспечиваются диффузным барьером (слой плотно прилегающих друг к другу клеток во внутреннем кортексе) и синтезом леггемоглобина (гемоглобинподобный белок, синтезируемый растительными клетками).

Леггемоглобин связывает O₂, транспортирует его к симбиосомам, обеспечивая дыхательную активность клубеньков. Он составляет 30 % белка в клубеньках и придает им ярко-розовый цвет. Леггемоглобин напоминает по своей структуре и функции гемоглобин человека и животных, специализирующийся, как известно, на транспорте О₂ и СО₂. Леггемоглобин находится в клетках клубеньков, где живут азотфиксирующие микроорганизмы. Нитрогеназный комплекс, образующий аммиак из воздуха, действует по физико-химическим законам очень экономно. Если в среде обитания достаточно ионов аммония или нитратов, он прекращает работу. Потребление растениями аммиака, образовавшегося при азотфиксации или восстановлении нитратов почвы, осуществляется ферментами, связанными с биосинтезом так называемых первичных аминокислот, прежде всего глютаминовой, аспарагиновой кислот и их амидов. В конечном итоге азот в виде аминогрупп вовлекается в серию биосинтетических реакций организма, поддерживая его жизненные функции.