Симбіотичні азотофіксатори

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

на тему “Симбіотичні азотофіксатори”

Зміст

1. Крубообіг азоту

2. Азотфіксація

3. Симбіотичні азотфіксатори

Перелік використаних джерел

1. Кругообіг азоту

Запаси азоту у природі досить значні. Над площею 1 км² земної поверхні міститься понад 8 млн. т цього важливого елементу. Але при такій ситуації, коли рослини купаються в азоті, вони постійно відчувають його нестачу.

У природі відбувається постійний кругообіг азоту, в якому беруть участь як мікроорганізми, так і тварини та вищі рослини. Головна роль мікроорганізмів полягає в тому, що вони забезпечують мінералізацію відмерлих решток, переводячи азот органічних сполук у мінеральні форми: амонійні солі, солі азотної й азотистої кислот, аміак, молекулярний азот.

Кругообіг азоту відбувається у декілька етапів (фаз).

Амоніфікація - це процес розкладу азотовмісних органічних сполук з утворенням аміаку (NH₃). Цей процес називають також гниттям, а мікроорганізмів, що його викликають - амоніфікаторами або гнильними.

Амоніфікації підлягають різні азотовмісні органічні сполуки: білки та їхні похідні (пептони, пептиди, амінокислоти); нуклеїнові кислоти та їхні похідні (пуринові та піримідинові основи); сечовина; сечова та гіпурова кислоти; гумусові сполуки; хітин.

Амоніфікуючу здатність проявляють мікроорганізми, які синтезують протеолітичні ферменти. Вони зустрічаються в більшості груп мікроорганізмів. Це Proteus vulgaris, Pseudomonas aeruginosa, P. fluorescens, Bacillus subtilis, B. mycoides, B. cereus, Clostridium tetani, C. perfringens, C. putrificum, C. sporogenes та інші бактерії, а також гриби.

Механізм процесу амоніфікації білків полягає у ферментативному їх гідролізі до пептонів, пептидів, а потім до амінокислот:

Амінокислоти, що утворилися у процесі розкладу білків, мінералізуються з різною швидкістю. Можливі такі процеси:

а - окиснювальне дезамінування, яке каталізується специфічними оксидазами.

При цьому утворюється NH₃ і відповідна кетокислота, яка у подальшому трансформується в оксикислоту або альдегід, тобто не накопичується:

б - відновлювальне дезамінування протікає з утворенням відповідної органічної кислоти.

Такі трансформації протікають за участю анаеробних мікроорганізмів:

в - дезамінування, з утворенням NH₃ і ненасичених кислот:

г - мікроорганізми можуть здійснювати також процес декарбоксилювання:

При анаеробному декарбоксилюванні амінокислот можуть утворюватися токсичні продукти, до яких належать диаміни (наприклад, кадаверин і путресцин). Кадаверин утворюється при розкладі лізину, а путресцин - орнітину:

Сечовина теж відноситься до азотовмісних органічних сполук. Людина протягом доби виділяє приблизно 30 г цієї сполуки. Сечовина синтезується деякими грибами (наприклад, шампіньйони містять до 13% за сухою масою сечовини).

Мікробіологічна денітрифікація супроводжується збідненням ґрунту мінеральними формами азоту. Щорічно в атмосферу повітря надходить із ґрунту біля 300 млн. т N₂. Але не варто розглядати цей процес лише як негативний, так як із глобальної точки зору він має вирішальне значення для збереження життя на Планеті. У нормально аерованих ґрунтах нітрати є кінцевими продуктами. Вони добре розчиняються у воді, слабко поглинаються ґрунтовими частинками, а значить, добре вимиваються у водойми. Усе це могло б призвести до зниження вмісту молекулярного азоту в атмосфері повітря. Але N₂, який надходить в атмосферу в процесі денітрифікації, зв'язується знову мікроорганізмами і йде на побудову органічної речовини, що складає наступний етап циклу азоту - азотфіксацію.

2. Азотфіксація

Азотфіксація - це використання атмосферного газоподібного молекулярного азоту N₂ як джерела азоту для біосинтезу. В результаті азотфіксації молекулярний азот відновлюється до амонію, який включається у біосинтез амінокислот. Цей процес характерний лише для бактерій (вільноживучих та симбіотичних) та деяких археїв, у яких наявний специфічний складний фермент - нітрогеназа (нітрогеназний комплекс).

Азотфіксація здійснюється у природі двома шляхами - біологічним і небіологічним. Небіологічний шлях (наприклад, грозові розряди) дає приблизно 0,5% у баланс, а загальна продуктивність азотфіксації складає приблизно 300 млн. т за рік.

Нітрогеназний комплекс складається з двох типів білків:

• Перший компонент зветься молібдофередоксином (MoFd, MoFe-білок) або динітрогеназою. М.м. - 220000. Складається з чотирьох білкових субодиниць, що з'єднані з MoFe-кофактором. MoFe-кофактор містить 18 атомів заліза та 2 атоми молібдену. Нітрогеназний комплекс містить 1 молекулу молібдофередоксину. Молібдофередоксин служить для відновлення N₂ шляхом «двоелектронного переносу».

• Другий компонент зветься азофередоксином (AzoFd, Fe-білок) або редуктазою динітрогенази. М.м. - 55000. Складається з двох білкових субодиниць та містить 4 атоми заліза. Нітрогеназний комплекс містить 2 молекули азофередоксину. Азофередоксин служить переносником електронів, що йдуть на відновлення молібдену молібдофередоксину.

Оскільки молекула N₂ містить потрійний зв'язок, вона дуже інертна. Її відновлення у промислових умовах здійснюють при температурі 500⁰С та тиску 300 атм. Бактерії проводять азотфіксацію за звичайних умов, але витрачають на це велику кількість енергії. Так, згідно рівняння:

N₂ + 8е^- + 8Н⁺ + 16АТФ = 2NН₃ + Н₂ + 16АДФ + 16Ф_н

для відновлення 1 молекули молекулярного азоту бактерії необхідно 16 молекул АТФ та 8 відновлених еквівалентів. За рахунок енергії, що виділяється при гідролізі АТФ, суттєво знижується ОВП нітрогеназного комплексу (з -290 до -400 мВ), тобто нітрогеназа набуває властивостей «супервідновника». Відновлені еквіваленти використовуються на постадійне відновлення N₂ до 2NH₃. Оскільки, паралельно з утворенням амонійного азоту, відбувається виділення молекулярного водню, процес потребує 8 електронів. Джерелами електронів можуть бути органічні сполуки у хемоорганотрофних азотфіксаторів (Azotobacter, Klebsiella, Clostridium), неорганічні сполуки у хемолітотрофів (Alcaligenes, Methanosarcina, Methanococcus), а також екзогенні донори електронів у фотосинтетиків (Cyanobacteria, Chromatium, Chlorobium, Rhodospirillum, Heliobacter). Електрони подаються на нітрогеназний комплекс через низькопотенційні переносники: фередоксини чи флаводоксини.

Згідно теорії Штифеля поцес азотфіксації відбувається наступним чином:

• З відновленого фередоксину електрони подаються на азофередоксин (Fe-білок) і відновлюють його.

• Азофередоксин передає електрони на молібден молібдофередоксину, а сам при цьому окиснюється. Молібден молібдофередоксину (MoFe-білок) відновлюється з Мо(VI) до Mo(IV). Паралельно з цим за рахунок гідролізу АТФ відбувається пониження ОВП нітрогеназного комплексу з -290 до -400 мВ. Молібдофередоксин стає супервідновленим.

• Атом заліза у молекулі молібдофередоксину з'єднується з N₂, утворюючи комплекс N?N-Fe (нітрид).

• У молекулі молібдофередоксину (MoFe-білок) відбувається поетапне відновлення N₂ за рахунок окиснення Mo(IV) до Мо(VI). Процес проходить через такі емпіричні проміжні продукти:

N?N + 4e^- > HN=NH (диімід) + Н₂

HN=NH + 2е^- > H₂N=NH₂ (гідразин)

H₂N=NH₂ + 2е^- > 2NH₃ (аміак)

азот фермент симбіотичний амінокислота

Утворення молекулярного водню активує молібдофередоксин перед процесом відновлення молекулярного азоту. Н₂ у атмосферу практично не виділяється, а розкладається гідрогеназою на протони та електрони. Електрони подаються на дихальний ланцюг. В результаті клітина отримує додаткову енергію, а молекулярний кисень, що оточує клітину, швидше відновлюється. Це захищає нітрогеназний комплекс від інгібуванням киснем.

Для активної азотфіксації бактерія повинна підтримувати азофередоксин у супервідновленому стані. Зрозуміло, що молекулярний кисень, який має ОВП +810 мв, незворотньо окиснює нітрогеназний комплекс. Тому, у аеробних азотфіксаторів існують спеціальні механізми захисту нітрогенази від кисню:

• Дихальний захист грунтується на тому, що бактерії (Azotobacter) швидко видаляють кисень із довкілля завдяки високоактивному розгалудженому дихальному ланцюгу. Спеціальні гілки такого ланцюга мають лише один пункт фосфорилювання і специфічний термінальний цитохром d-оксидазу. Вони використовуються для швидкого відновлення кисню при критичному збільшенні його концентрації навколо клітини.

• Конформаційний захист нітрогенази забезпечується особливим захисним конформаційним білком. При загрозі інактивації киснем, він з'єднується з нітрогеназою. При цьому нітрогеназа тимчасово втрачає свою активність, але отримує стійкість до кисню. При зниженні концентрації кисню нітрогеназа повертається у активний стан.

• Морфологічна адаптація - це утворення гетероцист у нитчатих ціанобактерій (Anabena). Азотфіксація здійснюється лише спеціальними клітинами гетероцистами, які оточені щільною клітинною стінкою і не виділяють О₂ при фотосинтезі.

• Симбіотичний захист характерний для симбіотичних азотфіксуючих бактерій (Rhizobium). Вони ідукують синтез у кллітинах рослини-симбіонта білка леггемоглобіну, який зв'язує кисень, знижуючи його парційний тиск.

• Негативний аеротаксис дозволяє рухливим азотфіксаторам уникати середовища з підвищеною концентрацією кисню.

Усі симбіотичні азотфіксатори характеризуються такими ознаками, як специфічність, вірулентність і активність.

Специфічність - це властивість утворювати бульбочки на кореневій системі лише певних видів бобових рослин. Специфічність не носить абсолютного характеру, але при неспецифічному інфікуванні утворюються, як правило, неактивні або малоактивні бульбочки.

Вірулентність - це здатність бульбочкових бактерій проникати через кореневі волоски в корінь рослини й утворювати бульбочки. Інколи бульбочкові бактерії можуть бути мало вірулентними, тобто не заражають або погано заражають бобову рослину.

Активність бульбочкових бактерій визначається інтенсивністю азотфіксації, яка залежить від вмісту червоного пігменту - гемоглобіну, який називається у даному випадку леггемоглобіном, тобто - це гемоглобін бобових рослин, який знаходиться у вакуолях рослинних клітин. Він сприяє процесу засвоєння азоту, підтримуючи окисно-відновний стан на певному рівні. Гемоглобін зумовлює рожеве забарвлення бульбочок. Такі забарвлені бульбочки і є активними. Бувають випадки, коли штам проявляє специфічність, є вірулентним, але не активний. В такому випадку бульбочки утворюються, але вони не здатні фіксувати N₂. Ізоелектрична точка тканини бульбочки, утвореної активними культурами, лежить значно нижче (pH 3,0-4,0), ніж тканини бульбочки, яка утворилася під впливом неактивного штаму (pH 6,0-6,5).

Реально лише мікроорганізми здатні зв'язувати азот атмосфери і будувати з нього всі азотовмісні органічні сполуки своїх клітин. Причина полягає в тому, що азот - це інертний елемент. Два атоми в його молекулі мають потрійний зв'язок. Для розриву одного із трьох зв'язків у його молекулі, необхідно витратити біля 125 ккал на одну грам-молекулу азоту. Два інші зв'язки розриваються легше, затрати енергії при цьому складають 63 і 37 ккал відповідно. Схема розриву зв'язків у молекулі азоту можна представити наступним чином:

Потреби в АТФ в азотфіксуючих бактерій досить велика - для відновлення однієї молекули азоту витрачається 12 молекул АТФ. Функціонування нітрогеназної системи забезпечується не лише надходженням енергії, а й постійним потоком електронів для відновлення N₂ до аміаку. Схема взаємозв'язків між процесами, які лежать в основі відновлення молекулярного азоту до аміаку представлена на рис.

Аміак, який утворився при фіксації N₂, зв'язується кетокислотами, що супроводжується синтезом відповідних амінокислот.

3. Симбіотичні азотфіксатори

З помітним збагаченням ґрунту зв'язаними формами азоту його фіксація звернула на себе увагу багатьох вчених. Ж. Бусенго (1838) першим помітив, що конюшина й інші бобові рослини збагачують ґрунт азотом. Подібну закономірність спостерігав і М. Бертело (1885), який встановив, що після стерилізації ґрунту підвищення вмісту зв'язаних форм азоту припиняється. Згодом Г. Гельригель і Г. Вільфарт (1886-1888) встановили зв'язок між фіксацією азоту і бульбочками на кореневій системі бобових. Бобові можуть рости у відсутності зв'язаних форм азоту лише в тому випадку, коли їх коренева система має бульбочки .

У 1888 році М. Бейєринк зробив важливе відкриття - виділення у чистій культурі симбіотичного фіксатора молекулярного азоту, який був віднесений до роду Rhizobium. У 1893 році С. Виноградський зробив нове відкриття - виділення із ґрунту анаеробного вільноживучого фіксатора N₂ - Clostridium pasteurianum, а згодом (1901) М. Бейєринк описує аеробного вільноживучого фіксатора N₂ - Azotobacter chroococcum.

До 1949 року здатність до фіксації молекулярного азоту приписувалась лише представникам родів Clostridium і Azotobacter. У 1949 році у всіх діазотрофів була відкрита нітрогеназна система, яка забезпечує відновнення ацетилену до етилену, тобто був встановлений зв'язок між фіксацією N₂ і відновленням ацетилену:

Окрім молекулярного азоту та ацетилену нітрогеназна система відновнює також азид, закис азоту, цианід, нітрил і ізонітрил.

Застосування тесту на відновлення ацетилену дозволило встановити, що здатність до фіксації N₂ проявляють також представники інших родів бактерій: Azomonas, Aerobacter, Achromobacter, Klebsiella, метаногенні бактерії, деякі синьо-зелені водорості та ін.

Представники роду Azotobacter відносяться до родини Azotobacteriaceae (“Аеробні грамнегативні палички й коки”). Клітини овальної форми діаметром 1,5-2,0 мкм, плеоморфні - від паличкоподібних до кулястих. Розташовуються поодиноко, парами або утворюють нехарактерні угрупування. Рухаються за допомогою перитрихальних джгутиків або нерухомі. Синтезують капсулу, яка оточує, як правило, дві клітини. У несприятливих умовах утворюють цисти - форма спокою. До роду Azotobacter відносяться A. chroococcum, A. agile, A. vinelandii. Оптимальне значення pH для їх розвитку 7,0-7,2, максимальне значення pH 9,0. У ґрунтах із pH 5,6 майже не виявляються.

До родини Azotobacteriaceae відноситься також рід Azomonas (A. agilis, A. insignus, A. macrocytogenes). Морфологічно представники цього роду подібні до Azotobacter. У процесі росту культура може виділяти багато слизу, але цист не утворює. Колонії на агаризованому середовищі безбарвні, деякі штами продукують флуорокуючі пігменти. Оптимальне значення pH для азотфіксації наближається до нейтрального, але деякі штами можуть фіксувати азот при pH 4,6-4,8. Виявляються у ґрунтах та водоймах.

Група “Аеробні грамнегативні палички й коки” включає також представників роду Beijerinckia (B. derxii, B. indica, B. mobilis). Клітини паличкоподібної форми, дещо зігнуті або грушоподібні. Деякі клітини мають тенденцію до галуження. Зустрічаються як рухомі, так і нерухомі клітини. Рухомі форми мають перитрихальний тип джгутикування. Утворюють капсули (оточують декілька клітин), деякі види утворюють цисти (оточують одну клітину). Ростуть у діапазоні pH від 3,0 до 9,5-10,0. При старінні культури колонії можуть набувати жовто-коричневого, янтарно-коричневого, рижуватого або рожевого кольору. Виявляються у ґрунтах, особливо часто у тропічних широтах.

Бактерії, виділені з бульбочок бобових рослин, віднесені до роду Rhizobium (гр. rhizo - корінь) родини Rhizobiaceae. Вони виявляються частіше у ґрунтах, де ростуть бобові. Але можуть зустрічатися й у вільному стані як сапрофіти. Морфологічно - це палички розміром 0,5-0,9х1,2-3,0 мкм, плеоморфні. Рухаються за допомогою єдиного полярного (субполярного) або перитрихальних джгутиків (2-6 штук). Оптимальне pH 6,0-7,0. На агаризованих середовищах утворюють округлі, опуклі, напівпрозорі, слизові колонії. Характерною особливістю представників цього роду є їх здатність проникати у кореневі волоски бобових рослин і стимулювати утворення бульбочок, всередині яких бактерії знаходяться як внутрішньоклітинні симбіонти. В бульбочках бактерії знаходяться у вигляді плеоморфних форм - бактероїдів, які здійснюють фіксацію N₂, трансформуючи його у зв'язану форму (аміак), доступну для використання рослиною-хазяїном. До роду Rhizobium відносяться: R. leguminosarum (R. leguminosarum biov. viceae, R. leguminosarum biov. trifolii, R. leguminosarum biov. phaseoli), R. loti та R. meliloti.

Види роду Azotobacter та їх розповсюдження

У 1989 році був описаний рід бульбочкових бактерій Photorhizobium, представники якого проявляють здатність до симбіотичної азотфіксації й фотосинтезу. А у 1990 році був описаний ще один вид, який віднесений до роду Rhizobium - R. galegae, який функціонує у симбіозі з козлятником.

Деякі азотфіксуючі мікроорганізми

Перелік використаних джерел

1. Аркадьева З.А. Промышленная микробиология. М, Наука, 1989

2. Бабенюк Ю. Д., Антипчук А. Ф. Мікробіологія: навч. Посіб. / Ю. Д. Бабенюк, А. Ф. Антипчук. - К.: Університет “Україна”, 2010. - 149 с.

3. Гусев М. В.., Минеева Л. А. Микробиология. - М.: МГУ. 1985. - 376 с.

4. Джаветс И., Мельник Д., Адельберг И. Руководство по медицинской микробиологии.- М.; Медицина, 1982 -- 502 с.-ил.

5. Коротаев А. И., Бабичев С.А. Медицинская микробиология, иммунология и вирусология: учебник для мед.вузов / А. И. Коротеев, С. А. Бабичев. - Спб: СпецЛит, 2008. - 4-е изд., испр. И доп.- 767 с.: ил.

6. Люта В. А., Заговора В. І. Основи мікробіології, вірусології та імунології. - К.: Здоров'я, 2001.- 280 с.

7. Общая микробиология. (Под ред. А. Е. Вершигоры) -- К.: Вища шк., 1988.- 342 с.

8. Пирог Т. П.: Загальна мікробіологія. - К.: НУХТТод: 2004, 475 с. Поздеев О. К. Медицинская микробиология / под ред. В. И. Покровского. - М.: ГЭОТАР -- МЕД, 2001, испр. И доп. - 778 с., ил.

9. Стейниер Р., Эдельберг Э., Ингем Дж. Мир микробов, т. 1-2, М,Мир, 1979

Размещено на Allbest.ru