Ассимиляция азота микроорганизмами.

Соединения азота, используемые в конструктивных целях:

· молекулярный азот

· аммоний

· нитрит

· нитрат

· гидроксиламин

· метиламины

· аминокислоты

· мочевина

· пурины

· пирамидины

· белки

Возможности использования соединений азота у микроорганизмы значительно шире, чем у животных и растений. В отношении использования нитрата микроорганизмы похожи на растения.

 

Процесс ассимиляционной натратредукции проходит в два этапа:

NO3- —> NO2 —> NH4+.

На первом этапе нитратредуктаза переносит два электрона, на втором — последовательно переносится шесть электронов под действием ферментного комплекса нитритредуктазы.

Ассимиляционная нитратредуктаза — растворимый фермент, и реакция происходит в цитоплазме. Фермент содержит ион Мo⁵⁺ и ФАД.

 

Ассимиляция аммония:

Часто источником аммония для микроорганизмов служит мочевина. Реакцию разложения мочевины проводит фермент уреаза:

NH2—CO—NH2 + H2O —> CO2 + 2NH3 (NH4+).

 

У микроорганизмы обнаружено несколько систем ассимиляции NH4+:

· у факультативных анаэробов семейства энтеробактерий, клостридий — аммоний присоединяется по двойной связи к непредельным жирным кислотам с образованием аминокислот: аминирование фумарата с образованием аспарагиновой кислоты под действие фермента аспартазы:

COOH-CH=CH-COOH + NH₃→ COOH-CH₂-CHNH₂-COOH

 

· восстановительное аминирование кетокислот, фермент – глутаматдегодрогеназа:

альфа-кетоглутаровая + NH3 + НАДН → глутаминовая + НАД⁺

 

· аммоний может реагировать с карбоксильной группой с образованием амидов: синтез глутамина, фермент глутаминсинтетаза:

глутамат + NH4 + АТФ → глутамин + АДФ + Ф

 

· взаимодействие аммония с CO2:

NH4 + CO2 + АТФ → карбамоилфосфат + АДФ

Это вещество далее образует цитрулин, орнитин, нуклеотиды у перперных бактерий и стрептококков.

 

· Система переаминирования, трансаминаза:

Глутамат + пируват → альфа-кетоглутарат + аланин

 

В реакции переаминирования глутаминовая кислота служит донором аминогруппы. При недостатке аммония.

 

 

Азотфиксация — укникальный процесс, присущий только прокариотическим микроорганизмам. Под азотфиксацией понимается способность к энзиматическому восстановлению атмосферного N2 до аммония (с образованием водорода), который затем включается в клеточное вещество.

 

Азот допустим для большинства организмов только в связанной форме, поэтому необходима азотофиксация.

Азотофиксирующие бактерии:

· Rhizobium

· Clostridium

· Azotobacter

· Nostos

Азотфиксаторов подразделяют на свободноживущих и симбиотических.

Свободноживущие азотфиксаторы относятся к хемотрофам (это анаробные клостридии и сульфатредукторы, факультативно анаэробные бациллы, аэробные метанотрофы) и фототрофам (пурпурные и зеленые бактерии, цианобактерии). Свободноживущие азотфиксаторы подраpделяют на истинно свободноживущие и ассоциативные, т.е. предпочтительно встречающиеся в ризосфере некоторых высших растений (злаков). К ассоциативным диазотрофам относятся представители семейства Enterobacteriaceace и Azotobacteriaceae.

Симбиотические диазотрофы включают прежде всего так называемые клубеньковые бактерии семейства Rhizobiaceae, обр. разрастания на корнях бобовых растений. Несмотря на разнообразие микроорганизмов, осуществляющих азотфиксацию, ферментный нитрогеназный комплекс имеет принципиальное сходство в строении и свойствах и у анаэробов, и у аэробов. Один из его отличительных признаков – чрезвычайная чувствительность к наличию кислорода. Поэтому аэробные микроорганизмы сталкиваются с проблемой защиты нитрогеназы от кислорода.

 

Фиксация азота жестко регулируется наличием его связанных форм. Нитрогеназная активность ингибируется, если в среде есть NH4+. Газ азот – это химически инертное и очень стабильное вещество. Реакция 3Н2 + N2 → 2NH3 – эндотермическая, поэтому чтобы разорвать тройную связь в молекуле азота необходимо, по крайней мере, 8 электронов и 16 молекул АТФ. В действительности АТФ затрачивается больше, т.к. часть ее необходима для поддержания анаэробных условий. Нитрогеназный ферментный комплекс состоит из двух белковых компонентов разной молекулярной массы. Для проявления нитрогеназной активности необходимы оба компонента, но они взаимозаменяемы у разных микроорганизмов. Нитрогеназа получает электроны и протоны непосредственно от низкопотенциального переносчика ферредоксина, который восстанавливается в реакциях фотосинтеза у фототрофов, при дыхании у аэробных диазотрофов или при брожении у анаэробов. Реакция проходит в несколько стадий: N≡N —> HN=NH —> H2N-NH2 —> 2NH3.

 

 

 

Азотфиксация.

К фиксации атмосферного азота способны клубеньковыек бактерии рода Rhizobium, свободноживущие Clostridium pasteurianum и Azotobacter, цианобактерии Nostoc. Вообще, к этому способны 80 родов бактерий из 27 семейств и по крайней мере 3 термофильных рода архей.

Азотофиксирующие организмы способны к росту на средах без связанного азота.

При изучении азотофиксации используют нерадиоактивый 15й и радиоактивный 13й изотопы азота. Другим способом изучения азотофиксации является ацетиленовый, основанный на способности азотофиксирующих бактерий превращать ацетилен в этен.

Азотофиксаторы делятся на свободноживущих и симбиотических.

 

Свободноживущие:

хемеавтотрофы (клостридии, сульфатредукторы, факультативные анаэробные бациллы, сем. Enterobacteriaceae, аэробные метанотрофы, сем. Azotobacteriacea) и фототрофы (ряд пурпурных и зелёных бактерий, многие цианобактерии)

Подразделяются на истинно свободноживущих и ассоциативных (живут в ризосфере высших растений, например, злаков). К ассациативным диазотрофам относятся семейства Enterobacteriaceae и Azotobacteriacea.

 

Симбиотические:

это в первую очередь клубеньковые бактерии сем. Rhizobiaceae, Образующие наросты на корнях растений сем. Бобовые и представители рода Frankia, живущие на корнях в клубеньках и листьях покрытосеменных кустарниках, например, ольхи и облепихи.

В симбиозе изменяется и МО, и растение. Они фиксируют азот на стадии эндосимбионтов-бактероидов.

 

Синезеленые водоросли Nostoc, Anabaena -- азотофиксирующие симбионы лишайников.

 

Диазотрофы способны фиксировать азот и не в симбиозе, но делают это менее эффективно. Растение-хозяин вырабатывает для поиска МО аттрактанты-лектины, а МО -- стимуляторы роста растений.