Молекулярные механизмы фиксации азота

Энергия связи N=N составляет 940 кДж/моль, т. е. она весьма устойчива к химическим воздействиям, недаром азот в переводе означает безжизненный. Ферментативная система, катализирующая реакцию фиксации N₂, называется нитрогеназой:

Таким образом, для фиксации N₂ необходимы сильные восстановители (поток электронов), а также АТФ и Mg²⁺. Природа доноров электронов различна у разных микроорганизмов. У аэробных бактерий (Azotobacter, Rhizobiит) необходимые для фиксации N₂ восстановители и АТФ образуются в ходе углеводного обмена в реакциях с участием НАДФ. Фотосинтетические бактерии и синезеленые водоросли способны к фотохимическому образованию сильных восстановителей.

Нитрогеназный комплекс состоит из белковых компонентов двух типов:

• • молибдоферредоксинин (Mo-Fe-протеин), или собственно нитрогеназа, содержащая четыре идентичные субъединицы, в каждую из которых входит два атома молибдена, негемовое железо, лабильный сульфид; молекулярная масса тетрамера -200 kDa;
• • редуктазный компонент (Fe-белок), или азоферредоксин, имеет молекулярную массу от 50 до 70 kDa, димер также содержит негемовое железо и лабильный сульфид.

Таким образом, оба компонента представляют собой железопротеины (Fe—S-белки), в которых железо связано с атомом серы остатка цистеина и неорганическим сульфидом.

Суммарное уравнение фиксации азота имеет следующий вид:

Как было отмечено выше, для превращения N₂—*NH} под действием нитрогеназного комплекса необходимы мощные восстановители (первичный донор электронов НАДФН • Н⁺) и АТФ. У большинства азотфиксирующих организмов непосредственно источником электронов с высоким потенциалом для этой шестиэлектронной реакции служит ферредоксин (железопротеин типа Fe₄—S₄, молекулярная масса — 10 kDa), который восстанавливается НАДФН и переносит свои электроны на азоферредоксин (редуктазный компонент). Реакция катализируется флаводоксином (ФМН-содержащий фермент).

Ниже приведена возможная последовательность реакций фиксации молекулярного азота (рис. 24.13).

• • Восстановленный ферредоксин передает электроны редуктазному комплексу (компонент 2), катализатором этой реакции является флаводоксин.
• • АТФ связывается с редуктазой, происходит изменение ее конформации, приводящее к увеличению восстановительной способности (окислительновосстановительный потенциал снижается с -0,29 до -0,40 В), что делает редуктазу способной перенести электроны на нитрогеназный компонент.
• • Происходит перенос электронов на компонент 1, осуществляется гидролиз АТФ до АДФ и Н₃Р0₄, и редуктаза отделяется от нитрогеназного компонента. Наконец, N₂ связывается с нитрогеназным компонентом и восстанавливается до NH₄, энергия, необходимая для этого процесса, обеспечивается гидролизом АТФ.

Следует отметить важную функцию молибдена в процессе азогфиксации. Он способствует формированию функционально активной конформации нитрогеназы, участвует в передаче электронов и связывании азота, известно также, что молибден индуцирует синтез этого комплекса.