Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Как отмечалось выше, очень чувствителен к молекулярному кислороду процесс азотфиксации. Несмотря на это, способность фиксировать N2 широко распространена среди прокариот, принадлежащих ко всем физиологическим группам, различающимся отношением к молекулярному кислороду; она присуща как хемотрофам, так и фототро-фам, в том числе цианобактериям, осуществляющим кислородный фотосинтез. Фиксировать молекулярный азот могут как свободноживущие формы, так и прокариоты, находящиеся в симбиозе с эукариотными организмами.
Изучение средств защиты этого процесса у разных групп прокариот показало, что в большинстве случаев она далека от 100%-ной эффективности. Так, среди аэробных азотфиксаторов можно выделить лишь немногие организмы, способные расти в среде с N2 в условиях равновесия с воздухом, т. е. осуществлять азотфиксацию в аэробных условиях. Большинство может расти и фиксировать N2 только в условиях пониженной концентрации молекулярного кислорода, т. е. в микроаэробных условиях. Защита нитрогеназы в клетках факультативных анаэробов еще менее эффективна: они могут осуществлять активно фиксацию азота только в анаэробных условиях.
К числу аэробных азотфиксаторов относятся представители рода Azotobacter, у которых обнаружены различные защитные приспособления. Одно из них связано с резким увеличением дыхательной актив
305
ности клеток, осуществляющих азотфиксацию в аэробных условиях. Дыхание в значительной мере служит в этом случае для «связывания» внутриклеточного O2. При этом обнаружены существенные перестрой-ки как в клеточном строении азотобактера, выражающиеся в интенсивном развитии системы внутрицитоплазматических мембран, так и в организации самой дыхательной цепи, локализованной в этих мембранах. Дыхательная цепь Azotobacter vinelandii, достаточно сложная, имеет разветвления на путях переноса электронов на уровне цитохро-ма Ь. Транспорт электронов, сопряженный с фосфорилированием, происходит по пути:
ЦИТОХрОМЫ b-+C4-$~Cs-+Cti.
При осуществлении «дыхательной» защиты возрастает активность электронного транспорта по ветви: цитохромы b-W, не связанной с запасанием энергии. Эти перестройки приводят к тому, что, несмотря на возрастание общей активности дыхания, сопряжение электронного транспорта с запасанием энергии снижается. Таким образом, происходит «сжигание» части углеродных субстратов, которые используются для восстановления O2 без запасания при этом клеткой энергии.
В дополнение к вынужденному «принесению в жертву» части источников углерода высокие концентрации O2 вызывают в клетке обратимые изменения структуры нитрогеназы, делающие чувствительные к молекулярному кислороду участки менее доступными для него. Высказываются разные предположения относительно того, как осуществляется «коиформационная» защита. Возможно, при этом происходит изменение взаимного расположения двух нитрогеназных белков. Не исключено участие в защите такого типа клеточной мембраны. Определенная стабилизация нитрогеназы в условиях высокой концентрации O2 происходит при добавлении к ферментному комплексу двухвалентных катионов. Наконец, обнаружены специальные защитные FeS-белки, образующие комплексы с нитрогеназными белками, приводящие к повышению их стабильности в присутствии O2. Никаких других функций, кроме защитной, у этих FeS-белков пока не найдено.
К организмам, способным фиксировать молекулярный азот в микроаэробных условиях, принадлежит большинство азотфиксирующих прокариот. К числу защитных приспособлений, обеспечивающих у них способность фиксировать N2 в микроаэробных условиях, относятся: 1) образование слизи, препятствующей диффузии в клетку O2 и тем самым создающей вокруг нее микроаэробную зону; 2) формирование клеточных скоплений, затрудняющих доступ O2 к клеткам, расположенным внутри скопления, для которых, таким образом, создаются более благоприятные условия для азотфиксации; 3) существование азотфиксирующих видов в ассоциации с неазотфиксирующими аэробными гетеротрофами, защищающими нитрогеназу азотфиксаторов от доступа O2.
Специфические приспособления для защиты нитрогеназы от высоких концентраций O2 выработаны симбиотическими азотфиксатора-ми — клубеньковыми бактериями. Уже сами клубеньки, места активного размножения бактерий и фиксации ими N2, следует рассматривать как структуру, одним из назначений которой является ограничение доступа внутрь молекулярного кислорода. Эту же функцию выполняет содержащийся в клубеньках леггемоглобин (белок, аналогичный гемоглобину), способный активно связывать O2 и контролировать его поступление в бактероиды. В любом случае при осуществлении метаболизма аэробного типа дыхание также будет препятствовать накоплению в клетке молекулярного кислорода.
306
Наиболее остро стоит проблема защиты процесса азотфиксации от O2 в группе кислородвыделяющих фототрофных прокариот — цианобактерии. У всех цианобактерии нитрогеназа чувствительна к O2, имеющему экзогенное и эндогенное происхождение. В соответствии с этим из всей совокупности обнаруженных у цианобактерии приспособлений можно выделить те, которые направлены на защиту от экзогенного кислорода, и те, которые предназначены для нейтрализации O2, образующегося внутри клетки в процессе фотосинтеза.
