Химизм фиксации молекулярного азота        

Химизм фиксации молекулярного азота ещё до конца не изучен. Наиболее изучен химизм симбиотических азотфиксаторов, и еще много неясного у свободноживущих. Механизм биологической азотфиксации бактериями-симбиотиками принципиально не отличается  от механизма связывания азота свободноживущими азотфиксаторами. Очевидно, этот процесс осуществляется ферментным комплексом, который аналогичный такому же комплексу у свободноживущих азотфиксаторов и требует затраты большого количества энергии.Для обоих видов азотфиксаторов  используется  один и тот же фермент – нитратредуктаза.                                                                                   

Совершенно точно установлено, что в обоих случаях конечным продуктом усвоения  N₂ является аммиак.  Молекулярный азот имеет  чрезвычайно прочную химическую связь между атомами N,  которая представлена   тремя соединительными валентным  связами N≡N , которые требуют для их разрыва 940 кДж/ моль энергии. Но у азотфиксаторов он идет чрезвычайно легко с постепенным восстановлением N, т.е поэтапно:                                                           N≡N + 2Н⁺ → HN=NH  + 2H⁺ → H₂N–NH₂ + 2H⁺ → 2 NH₃                                  

Этот процесс идет благодаря ферменту нитрогеназе  с обязательным присутствием Fe и Mo  , а также Со и Cu. Реакционный центр  нитрогеназы состоит из двух компонентов : высокомолекулярного белка с  Мо и Fе, и низкомолекулярного белка, содержащего только Fе. Высокомолекулярная субъединица служит для связывания и восстановления  N, а малая является поставщиком  е^– для  восстановления Fе и Мо в белке большой субъединицы (см. рис.   ).В атмосфере азот находится в  нейтральной форме. Активный центр нитрогеназы содержит Fе и  Mo, расстояние между которыми равно величине молекулы  N≡N. В этом «гнезде» и происходит расслабление связей, которые легко разрываются и Н⁺ встраивается в молекулу азота. Донором Н⁺ и е–  является ПВК образуемая при  расщеплении углеводов при дыхании, в гликолизе, что указывает на связь азотфиксации с дыханием и фотосинтезом. Важное место занимает цитохромная система электронного транспорта – ферредоксин.                                                                                                   

Процесс требует большого количества АТФ, как источника энергии. Для усвоения 1 моля N₂   требуется 12-15 молекул АТФ, а фактически расходуется до 30-40 молекул. Эту энергию организм Rhizobium  получает от продуктов фотосинтеза,  а  Azotobacter и другие свободноживущие гетеротрофы от сбраживания или окисления углеводов, находящихся в почве (растительные остатки).                                                                                                    Другая особенность, что процесс идет только в анаэробных условиях. Даже малейшее количество кислорода подавляет процесс азотфиксации. Поэтому азотфиксация в клубеньках бобовых происходит при участии специального соединения, красного цвета, образуемого в ткани клубенька - легоглобина. Имея высокое сродство с О₂ он связывает его и создаёт анаэробные ус ловия.  Легоглобин синтезируется только в клетках растения –хозяина. Соединяясь с О₂  он встраивается в мембрану бактероида, снабжая его кислородом, и защищает нитрогеназу от повреждающего действия О₂. В бактероиде функционирует цикл Кребса, аэробная фаза  дыхания, которая является поставщиком АТФ и электрона, который через ферредоксин поступает через малую субединицу нитрогеназы в большую для восстановления F и  Мо.               Цикл Кребса поставляет также кетокислоты (α-кетоглутаровую, ЩУК и др.), которые аминируются образуемым при  азотфиксации аммиаком и образуют аминокислоты, которые транспортируются в клетки растения-хозяина (рис.   ) 

            Рис. Схема фиксации N2 в бактероиде клубеньков бобовых                            ( Полевой,1989)

Аналогично работает нитрогеназа свободноживущих  азотфиксирующих бактерий.  Защита нитрогеназы от  О₂  имеет также большое значение, но осуществляется без легоглобина, и этот механизм пока не раскрыт. Механизм же работы нитрогеназы такой же как и у симбионтов, поэтапное восстановление N₂   до NH₃   (рис.    ) Механизм биологической фиксации пока  полностью не раскрыт. Однако Кретович (70-80- годы ХХ ст.) и другие  исследователи установили, что этот  процесс осуществляется с помощью нитрогеназы –  особого ферментного комплекса, который содержит две белковых фракции. Одна  из них состоит из  азоферредоксина, который   содержит негеминное железо (FeS), другая – из молибденоферредоксина, в которую,

Рис.      Схема последовательного восстановления молекулярного азота до аммиака

кроме негеминного железа (FeS), входят два атома Мо. Источником необходимого  для данного процесса восстановителя  молекулярного азота служит восстановленный ферредоксин (поставляет ē), а источником энергии – АТФ, которая образуется при брожении (у анаэробных азотфиксаторов), или дыхания ( в аэробных). Активатором данной реакции является ионы Mg²⁺.               Биологическая фиксация  молекулярного азота играет в жизни экосистемы исключительно важную роль. Большое значение азотфиксаторов в природных биоценозах, где различные потери азота (вымывание солей, переход нитратного азота в молекулярный под действием денитрифицирующих бактерий и т) пополняются главным образом за счет их деятельности и лишь частично – в результате  разрушения животных и растительных                                      В  агробиоценозах потери азота еще больше, так как здесь значительная его часть выносится вместе с урожаем Например, при урожае картофеля 250-300ц/га из почвы выносится около 200 кг/азота. Поэтому бобовые растения являются составной частью любого севооборота. Однако значительная часть потерь азота приходится пополнять путем внесения органических и минеральных удобрений.