Нитрогеназа
Нитрогеназа (КФ 1.18.6.1) — комплекс ферментов (мультифермент), осуществляющий процесс фиксации атмосферного азота. Широко распространён у бактерий и архей, в то время как все эукариоты его лишены.
Исследования[править]
В 1962 г. советский академик Ян Вольдемарович Пейве развернул в созданной им лаборатории биохимии микроэлементов Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева АН СССР работы по молекулярной биологии металлосодержащих белков и ферментов, участвующих в симбиотической фиксации азота у бобовых растений, таким образом на основе знаний по биохимии молекулярной биологии он перешёл к синтезу представлений, охватывающих уже более сложные уровни организации и регуляции биологических процессов в их взаимосвязи и влиянии[1].
В соавторстве с Н.Н. Ивановой и М.Г. Ширинской Я.В. Пейве опубликовал работы по выделению, очистке и изучению свойств молибденсодержащей нитратредуктазы, а также доказал необходимость молибдена для функционирования этого фермента. Совместно с Б.А. Ягодиным, Г.А. Овчаренко и другими сотрудниками из бактероидов клубеньков люпина и сои удалось выделить активный ферментный комплекс нитрогеназы и определить молекулярный вес его компонентов. Я.В. Пейве, Г. Я. Жизневская и Г. И. Ливанова впервые выделили кристаллический леггемоглобин из клубеньков люпина, а затем его промышленное производство было развёрнуто в Латвийской ССР[2].
Строение[править]
Комплекс состоит из двух ферментов: собственно нитрогеназы (называемой также Mo-Fe-белком, а в англоязычной литературе - динитрогеназой) и гидрогеназы (Fe-белок или редуктаза динитрогеназы). После разделения они теряют свои каталитические свойства. Ферментативной активностью, однако, обладают «гибриды», например, Mo-Fe-белка азотобактера с Fe-белком клубеньковых бактерий.
Mo-Fe-белок имеет массу порядка 230 кДа и состоит из 4 субъединиц двух типов. В состав его кофактора входят 2 атома молибдена.
Fe-белок имеет массу 64 кДа и состоит из двух одинаковых субъединиц.
Нитрогеназа необратимо окисляется молекулярным кислородом, что заставляет азотфиксаторов искать способы защиты фермента.
Принцип работы[править]
Реакция, катализируемая мультиферментом, выглядит следующим образом:
Нитрогеназа обладает низкой субстратной специфичностью и вместо азота может восстанавливать другие соединения с тройной связью: ацетилен (на этом её свойстве основан метод определения активности азотфиксации), цианиды и азиды (также параллельно с образованием водорода):
- С2H2 + 2H+ → С2H4
- CN− + 7H+ → NH3 + СH4
- HN3 → NH3 + N2
Донором электрона в реакции служит восстановленные ферредоксин или флаводоксин. Электрон с затратой энергии АТФ переносится Fe-белком с донора на Mo-Fe-белок, который, в свою очередь, трижды отдаёт пару электронов двум атомам азота, восстанавливая связаную в активном центре молекулу N2 до двух NH3 через следующие стадии:
Согласно другой версии постадийный процесс энергетически невыгоден и в активном центре происходит передача сразу всех шести электронов [3]
Альтернативные нитрогеназы[править]
Обнаружены различные альтернативные нитрогеназы:
- Ванадий-содержащая, генерирующая до 5 молекул аммиака на одну молекулу водорода, однако она до 3 раз менее активная. Обнаружена у представителей р. Clostridium, Azotobacter и Anabaena.
- Железосодержащая. Генерирует 10 молекул аммиака на одну молекулу водорода, не требует молибдена для синтеза, однако в 20 раз менее активная чем обычная нитрогеназа. Обнаружена у представителей р. Azotobacter, Rhodobacter и Rhodopseudomonas.
- Супероксид-зависима. Нитрогеназная активность нечувствительна к кислороду[4].
Примечания[править]
- ↑ К 110-летию со дня рождения Яна Вольдемаровича Пейве./ Великие люди и открытия. Общество физиологов растений России, 3 августа 2016.
- ↑ Жизневская, Генриетта Яновна. Медь, молибден и железо в азотном обмене бобовых растений [Текст] : науч. изд. / Г. Я. Жизневская; [отв. ред. Я.В. Пейве] ; АН СССР, Ин-т физиологии растений им. К.А. Тимирязева . - М. : Наука, 1972. - 335 с.
- ↑ Б.В. Романовский. "Современный катализ: наука или искусство?". Соросовский образовательный журнал. — 2000. — Т. 6, № 9. — С. 43-48.
- ↑ Ribbe M., Gadkari D., Meyer O. N2 fixation by Streptomyces thermoautotrophicus involves a molybdenum-dinitrogenase and a manganese-superoxide oxidoreductase that couple N2 reduction to the oxidation of superoxide produced from O2 by a molybdenum-CO dehydrogenase. (англ.) // The Journal of biological chemistry. — 1997. — Vol. 272, no. 42. — P. 26627—26633. — PMID 9334244.