Nitrogenaza tizimi alkilnitril va N2O ni ham kamaytirishi Nitrogenaza fermentining xususiyatlari

Reja:

1. 
   Nitrogenaza tizimi alkilnitril va N2O ni ham kamaytirishi
   
2. 
   Nitrogenaza fermentining xususiyatlari.
   
3. 
   nitrogenaza fermenti ATP gidrolizining energiyasidan foydalanishi
   

Zamonamizning eng muhim muammolaridan biri bu atmosfera azotini yumshoq sharoitda mahkamlash imkoniyatidir. Tabiat buni uzoq vaqt davomida qilgan. Biologik azot fiksatsiyasi atmosfera azotining ammiakga aylanadigan qaytarilish jarayonlari natijasida yuzaga keladi. Bu erda nitrogenaza fermenti hal qiluvchi rol o'ynaydi. Uning tarkibidagi temir va molibden birikmalari azotni faollashtiradi, u bilan aloqa qilganda.Yana ikki elektronli qaytarilish natijasida azid anioni N2 va NHt ga aylanadi [tenglama. Sianid ionlari metan va ammiak hosil qiladi [tenglama . Nitrogenaza tizimi alkilnitril va N2O ni ham kamaytirishi mumkin. Bundan tashqari, nitrogenazlar doimo protonlarning H tenglamaga qaytarilishini katalizlaydi.

Va nihoyat, modellashtirishning katta amaliy ahamiyatga ega bo'lgan yana bir jihatiga, ya'ni fermentativ kataliz tamoyillari asosida ishlaydigan yuqori faol va o'ta xos katalizatorlarni yaratishga e'tibor qaratamiz. Biroq, hozirda bu yo'nalishda faqat dastlabki qadamlar qo'yilmoqda, bu borada ushbu sohaning haqiqiy istiqbollarini baholash qiyin. Misol tariqasida, azotning molekulyar qaytarilish reaktsiyasini katalizlovchi ferment bo'lgan nitrogenazani modellashtirishdagi muvaffaqiyatlarni ko'rsatish mumkin. Nitrogenazni taqlid qiluvchi tizimlar yordamida muhim amaliy muammoni - engil sharoitda azotni aniqlashni hal qilish mumkin bo'lishi mumkin.
BU JARAYONNI KATALIZLOVCHI NITROGENAZA FERMENTINING XUSUSIYATLARI.
Azot fiksatsiyalangan birlamchi reaksiyani quyidagi oddiy sxema bilan ifodalash mumkin
Biologik azot fiksatsiyasi ma'lum organizmlar (prokaryotlar) - bakteriyalar va ko'k-yashil suv o'tlari tomonidan amalga oshiriladi. Azotni biriktiruvchi bakteriyalar erkin yashashi yoki o'simliklar bilan simbiotik aloqada bo'lishi mumkin. Oxirgi turkumdan Rhizobium jinsi ayniqsa muhim ahamiyatga ega bo'lib, muhim qishloq xo'jaligi dukkakli o'simliklar (soya, beda va beda) ildizlarida azot saqlovchi tugunlarni hosil qiladi. Ushbu simbiozda o'simliklar ham, bakteriyalar ham o'ziga xosdir, ammo ularning simbiotik o'zaro ta'sirining biokimyoviy asoslari aniq emas. Bakteriya tarkibida azot fiksatsiyasi jarayonini katalizlovchi nitrogenaza fermentini sintez qilish uchun zarur bo'lgan barcha genetik ma'lumotlar mavjud deb ishoniladi. Rhizobium jinsiga mansub bakteriyalar xos o'simlikning ildiziga joylashgandan so'ng, ular ko'payish qobiliyatiga ega bo'lmagan kattalashgan hujayralarga (bakterioidlarga) aylanadi, ular membrana bilan o'ralgan holda, o'simlik hujayrasining sitoplazmasida yashaydilar.
O'simliklarning rivojlanishini cheklovchi asosiy omillardan biri azotli birikmalarning etishmasligidir. Faqat ayrim tuproqlarda, masalan, chernozemlarda, ko'chma azot birikmalarining tarkibi o'simliklarning ehtiyojlarini to'liq qondirishi mumkin. Azot tanqisligi sharoitida o'simliklar atmosferaning taxminan 80% ni tashkil etadigan molekulyar azot (N2) bilan yuviladi. Bu azotni o'simliklar bevosita ishlata olmaydi, chunki uni mahkamlash uchun o'simliklarda, shuningdek, boshqa eukariotlarda mavjud bo'lmagan nitrogenaza fermenti kerak bo'ladi. N2 ni tuzatish qobiliyatiga faqat ba'zi prokaryotik organizmlar ega bo'lib, ular bilan ko'plab o'simliklar simbiotik munosabatlarga kirishadi. Simbiotik azot fiksatsiya tizimlarining genetikasini ishlab chiqish ularni maqsadli loyihalash va qishloq xo'jaligida keng qo'llash uchun zarur qadamdir.
Tabiatda molibden. Molibden barcha organizmlar uchun muhim iz element hisoblanadi. U azot fiksatsiyasida va nitrat ionlarining qaytarilishida ishtirok etadigan nitrogenaza va nitrat reduktaza fermentlarining bir qismi bo'lib, oksidazalarda ham mavjud. Fermentlarda molibden elektron tashuvchi rolini o'ynaydi.
Ko'rib chiqilayotgan jarayonlar juda katta amaliy ahamiyatga ega, ammo ular hali etarlicha o'rganilmagan va hozirgi vaqtda intensiv tadqiqotlar olib borilmoqda. Qizig'i shundaki, azot fiksatsiyasi uchun zarur bo'lgan nitrogenaza fermenti asta-sekin paydo bo'lganidek, nozik tarzda bog'lanadi.
Azot fiksatori nitrogenaza fermenti ATP gidrolizining energiyasidan foydalanib, vodorod gazining (Hj) hosil bo'lishini katalizlaydi. Rhizobiumning ba'zi shtammlari gidrogenaza fermentini sintez qiladi. U Hj ning H" ga in vivo konversiyasini katalizlaydi, bu esa ta'sirni oshiradi
Ta'sirning juda yuqori o'ziga xosligi fermentlar - biokimyoviy jarayonlar uchun katalizator bo'lgan oqsil moddalari bilan tavsiflanadi. Fermentlar bir jinsli va geterogen katalizatorlar o'rtasida oraliq pozitsiyani egallaydi, chunki ular makromolekulalardir. Shunday qilib, nodul bakteriyalar tomonidan atmosfera azotini fiksatsiya qilish uchun mas'ul bo'lgan nitrogenaza fermenti molekulyar og'irligiga taxminan 350 000 a.m.u. (gemoglobindan besh baravar ko'p). Inson tanasida o'ziga xos reaktsiyalarni katalizlaydigan bir necha o'n minglab fermentlar mavjud. Zamonaviy biotexnologiyaning 3-bandida polimer gelga mahkamlangan immobilizatsiyalangan fermentlardan keng foydalanish joriy etilmoqda. Bu o'tmishda yaxshi ishlab chiqilgan geterogen kataliz texnologiyasi bo'yicha reaktsiyalarni amalga oshirish imkonini beradi.
Ba'zi erkin yashovchi bakteriyalar va ko'k-yashil suv o'tlari tomonidan amalga oshiriladigan azot fiksatsiyasi dukkaklilar va Rhizobium jinsi bakteriyalari bilan kasallangan boshqa o'simliklarning ildiz tugunlarida ham sodir bo'ladi. Fiksatsiya N2 molekulasining molibden o'z ichiga olgan nitrogenaz fermentiga qo'shilishi bilan kamayadi, so'ngra bu holda oksidlangan substrat molekulalarining elektronlari va protonlari yordamida azotning ammiakgacha ATPga bog'liq qaytarilishi. Azotni mahkamlash tizimi asetilenni etilenga ham kamaytirishi mumkin. Bu tamoyil daladagi buzilmagan o'simliklar tomonidan azot fiksatsiyasini aniqlashga asoslanadi. Bakteriyalar bilan simbiozda yashovchi azot fiksatori o'simliklari ostida kamaytirilgan azotning kiritilishi ikkinchisining azotni fiksatsiya qilish qobiliyatini pasaytiradi
Molibden maxsus azot biriktiruvchi bakteriyalarda atmosfera azotining ammiakgacha qaytarilishini katalizlovchi nitrogenaza fermentining zarur tarkibiy qismidir. Bu azotning biosferaga kirishining eng muhim yo'lidir, chunki deyarli barcha tabiiy azot o'z ichiga olgan organik birikmalar ammiakdan, aniqrog'i ammoniy ionlaridan hosil bo'ladi.
Azot biriktiruvchi mikroorganizmlar hujayralaridan ajratib olinadigan molekulyar azotdan ammiak hosil bo'lishini normal bosimda katalizlovchi nitrogenaza fermenti ikkita oqsil birikmasidan iborat bo'lib, ularning birida temir va molibden, ikkinchisida esa: faqat temir
Molekulyar azotning yuqoridagi barcha reaktsiyalari axlat fosfinlari, t-siklopentadienil guruhlari yoki umumiy noorganik ligandlarni o'z ichiga olgan o'tish metall komplekslarining ishtiroki bilan bog'liq. Boshqa tomondan, nitrogenaza fermentining faol joylarini o'rganish shuni ko'rsatdiki, bir yoki ikkita molibden (III-V) ionlari ferredoksin tipidagi temir-oltingugurtli protez guruhiga bevosita yaqin joyda joylashgan. Molibden atomlari oltingugurt ligandlari bilan bog'langan deb taxmin qilingan. Biyokimyasal azot fiksatsiyasining tavsiya etilgan mexanizmlaridan biri azot molekulasining molib- atomiga "lateral" (yoki T1 -) muvofiqlashtirilishini o'z ichiga oladi
Enzimatik oksidlanish-qaytarilish reaktsiyalari koordinatsion birikmalarning oksidlanish-qaytarilish reaktsiyalarini muhokama qilish (19-bob), nazariyaning taqdimoti va uning biologik tizimlarga tatbiq etilishi bilan boshlanadigan V qismda maxsus ko'rib chiqiladi. Ch. 20 fermentlar mavjudligi va yo'qligida metallar bilan kislorodlanish reaktsiyalarining tasnifini o'z ichiga oladi. ch. 21 mis o'z ichiga olgan oksidazalarning har xil turlarini muhokama qiladi. Ferredoksin tipidagi firlar elektron uzatishda ishtirok etadilar, ular bobda tasvirlangan. 22, keyin ch. 23 azot fiksatsiyasi va nitrogenaza fermentlari uchun.
Nitrogenaza fermenti ta'siri natijasida amalga oshiriladigan Ahotobater mikroorganizmlari tomonidan molekulyar azotning fiksatsiya tezligi haroratning 22 dan 30 ° C gacha ko'tarilishi bilan necha marta ortadi, agar reaktsiya tezligining harorat koeffitsienti bo'lsa.
Tuproqdagi azot yo'qotishlarini almashtirish bir necha manbalardan kelib chiqadi. Bular, birinchi navbatda, tuproqqa kiritilgan azotning eng kuchli oqimini tashkil etuvchi o'layotgan biomassaning organik qoldiqlari. Ikkinchi o'rinni dukkaklilar va boshqa o'simliklar bilan simbiozda yashovchi tugun bakteriyalari tomonidan atmosfera molekulyar azotini biriktirish jarayoni (azot fiksatsiyasi) egallaydi. Tugun bakteriyalaridan tashqari, azot fiksatsiyasi tuproqda erkin yashovchi Azotobacter, klostridiya, bir hujayrali zamburug'lar va suv o'tlari mikroorganizmlari tomonidan amalga oshiriladi. Bu mikroorganizmlarning barchasi azotni nitrogenaza fermenti va temir o'z ichiga olgan oqsillar ferredoksinlar ishtirokida tiklaydi.
Ayrim bakteriyalar va suv o'tlarida azotning qaytarilishini katalizlovchi nitrogenaza fermenti tarkibida bir nechta temir atomlari va ikkita molibden atomlari mavjud 151. Ularning o'zaro joylashishini o'rganish ko'rsatdi.
Vodorod ishlab chiqarishning yana bir usuli - bu nitrogenaza fermenti tomonidan katalizlangan bakteriyalar va siyanobakteriyalarning ayrim turlari tomonidan amalga oshiriladigan fotofermentativ jarayon. Bunday holda, organik kislotalar (masalan, sirka51 kislotasi) vodorod manbai sifatida ishlatilishi mumkin
Molekula-Ng (N = N) bilan bog'lanib, uni ammiak (HH3) ga qaytaruvchi nitrogenaza fermenti ham asetilenni (HC = CH) qo'shib, uni etilenga (HC = CH) kamaytirishi mumkin. Bu faollikni aniqlash o'simlikning azot biriktiruvchi faolligini bevosita dala sharoitida aniqlash usuli asosida yotadi. Gaz holida ma'lum miqdorda asetilen o'simlikning ildiz muhitiga kiritiladi va bir muncha vaqt o'tgach chiqariladi.Asetilenning etilenga aylantirilgan miqdori ma'lum bir ildizning azotni biriktirish qobiliyatining ko'rsatkichi bo'lib xizmat qiladi. o'simlik. Asetilen ham, etilen ham gaz bo'lganligi sababli, ularning kichik miqdori ham gaz xromatografiyasi orqali tahlil qilinishi mumkin, bu katta xarajatlarsiz tez va aniq ma'lumotlarni beradi. Ushbu usul yordamida o'simlik fiziologlari soya o'simliklarining ontogenezda azotni saqlash qobiliyatini o'rgandilar va jarayonning samaradorligiga ta'sir qiluvchi fiziologik omillarni o'rgandilar. Bu o‘simliklar unumdorligini yanada oshirish yo‘llarini aniqlashda muhim ahamiyatga ega.
Ko'pgina tugunli bakteriyalar H2 oksidlanishini katalizlovchi gidrogenazni o'z ichiga oladi, bu esa uning qayta ishlanishiga olib keladi. Ikki komponentdan tashkil topgan nitrogenaza fermenti molekulyar azotdan ammiak, shuningdek molekulyar vodorod hosil bo'lishida ishtirok etadi. Komponent I - temir va molibden o'z ichiga olgan oqsil, II komponent - temir o'z ichiga olgan oqsil. Nitrogenaza faqat anaerob sharoitda hosil bo'ladi va faol bo'ladi. Shu munosabat bilan, aerob azot-fiksatorlar, u yoki bu tarzda, uning ishlashi uchun shunday sharoitlarni ta'minlashi kerak. Tugunlarda joylashgan tugun bakteriyalarida bu maxsus temir o'z ichiga olgan pigment - leggemoglobinni o'z ichiga oladi,
Azot fiksatsiyasining molekulyar mexanizmi. Azot molekulasi NjIN N) nihoyatda kuchli va kimyoviy jihatdan inertdir. Uning uchta kovalent bog'lanish energiyasi 940 kJ/mol. Bu aloqalarni uzish va ammiak sintezining kimyoviy jarayonida N2 ni kamaytirish uchun katalizatorlardan foydalanishga qaramay, yuqori harorat va bosim talab qilinadi, yuqorida aytib o'tilganidek. Mikroorganizmlar tomonidan N2 ning biologik fiksatsiyasi normal harorat va bosimda amalga oshiriladi, bu bu jarayonda ishtirok etadigan nitrogenaza fermentining juda yuqori samaradorligini ko'rsatadi.
Jarayon membrana bilan o'ralgan va xo'jayin o'simlik ildizining kortikal hujayralarida lokalizatsiya qilingan bakterioidda sodir bo'ladi.Azot fiksatsiyasi jarayonida asosiy rol nitrogenaza fermentiga tegishli bo'lib, u erkin tarzda batafsilroq o'rganilgan. tirik azot fiksatorlari. Ferment yuqori molekulyar og'irlikdagi Mo, Fe oqsili va past molekulyar og'irlikdagi Fe oqsilining ikkita komponentidan iborat. Nitrogenazaning faqat ikkala komponentining kompleksi azot biriktiruvchi faollikka ega; S bir nechta FeS klasterlariga birlashtirilgan. Nitrogenazaning past molekulyar og'irlikdagi komponenti Fe oqsili Mg 50-70 mingga ega, har bir ferment molekulasida to'rtta Fe va labil S atomlarini o'z ichiga oladi, ular 4Fe4S tipidagi klasterga birlashtirilgan. Substrat (N3) Mo, Fe-oqsil bilan bog'lanadi va kamayadi, Fe-oqsil esa ferredoksindan (Fd) oladigan Mo, Fe-oqsilni kamaytirish uchun elektronlar manbai bo'lib xizmat qiladi. Nitrogenazaning ikkita komponentidan iborat kompleks faqat Fe-oqsildan Mo, Fe-oqsilga elektron o'tishi va ATP gidrolizi bilan birlashganda mavjud.