ляется превращение двухатомного азота (N2) в аммиак. Подсчитано, что в 1974 г. в результате такой биологической фиксации азота на землю было перенесено 17,5-1010 кг азота (сравните это с фиксацией 4-1010 кг азота путем химических реакций) [2]. Чтобы нагляднее представить, как велико это количество, укажем, что один квадратный метр поля, засеянного бобовыми, образующими корневые клубеньки, например соей, обеспечивает фиксацию 10—30 г азота в год.

Фиксация N2 бактериями Clostridium pasteurianum и несколькими другими видами бактерий была открыта в 1893 г. Виноградским [2а]. Последующие исследования показали, что для фиксации азота требуется наличие в питательной среде железа и молибдена. СО и N2O оказывают ингибирующее действие. Предполагалось, что конечным продуктом этого процесса является аммиак. Наряду с этим допускали, что первоначально в органические соединения включаются более окисленные соединения, такие, как гидроксиламин. С 1960 г., после того как были получены бесклеточные препараты, способные к фиксации азота, в этой области были сделаны большие успехи [3—5]. Важным достижением было открытие у всех азотфиксирующих бактерий способности восстанавливать ацетилен в этилен. По-видимому, способность к фиксации азота и к восстановлению ацетилена тесно взаимосвязана. Простой и чувствительный тест на восстановление ацетилена позволяет легко измерять азотфиксирующий потенциал клеток.

С помощью этого теста вскоре было показано, что способность к фиксации азота присуща не отдельным видам бактерий, а широко распространена у многих прокариот. Из этих организмов наиболее изучены Azotobacter, Clostridium pasteurianum (с которыми работал Виноградский), Klebsiella (бактерия, родственная Е. coli) и Rhizobi-ит — симбиотические бактерии корневых клубеньков бобовых. Rhizo-Ыит заслуживает особого внимания, поскольку восстановление N2 происходит в клубеньках растений, зараженных бактериями1'. Внутри клубеньков бактерии перерождаются в «бактероиды», и параллельно происходит синтез специального гемоглобина (леггемоглобин), детерминируемого геном растения [7, 8]. Бобовые — не единственные растения, вступающие в симбиоз с азотфиксирующими организмами. Некоторые покрытосеменные являются хозяевами азотфиксирующих ак-тиномицетов, а среди голосеменных имеются растения, содержащие азотфиксирующие сине-зеленые водоросли. Фиксация азота идет и в узелках листьев некоторых растений, зараженных бактериями Klebsiella. Неизвестно, имеет ли это значение для питания, но азотфиксирующие штаммы Klebsiella были обнаружены в кишечнике некоторых жителей Новой Гвинеи.

В количественном отношении из свободно живущих азотфиксирующих организмов наиболее важное значение имеют цианобактерии (сиВпрочем, недавно было показано, что некоторые свободно живущие бактерии Rhizobtum тоже могут фиксировать азот [6].

не-зеленые водоросли). Например, на рисовых полях сине-зеленые водоросли могут фиксировать в год от 2,4 до 10 г азота на каждый квадратный метр.

2. Нитрогеназная ферментная система

Бесклеточные препараты нитрогеназы были выделены из целого ряда организмов. Всем этим ферментам свойственна быстрая инактивация в присутствии кислорода, что на первых порах сильно сдерживало развитие исследований. По-видимому, фиксация азота происходит в анаэробных участках клеток. Существует даже предположение, что леггемоглобин защищает азотфиксирующие ферменты корневых клубеньков от воздействия кислорода. Возможно, что леггемоглобин осуществляет также доставку Ог путем облегченной диффузии в аэробные митохондрии бактероидов при устойчиво низком давлении кислорода [8].

Нитрогеназная система катализирует шестиэлектронное восстановление N2 в аммиак:

N2 + 6Н+ + бе- > 2NH3. (144)

Она способна восстанавливать и многие другие соединения. Например, восстановление ацетилена в этилен [уравнение (14-2)] является двух-электронным процессом:

НС=СН 4- 2Н+ + 2е- ^ Н2С = СН2, (Н_2)

N- 4. 4Н+ 4- 2е- » N2 + NH+ (14-3)

CN- + 8Н+ + бе- > СН4 + NHj, (14-4)

2Н++2е- > На. (14-5)

В результате другого двухэлектронного восстановления происходит

превращение азид-аниона в N2 и NH* [уравнение (14-3)]. Цианид-ионы дают начало метану и аммиаку [уравнение (14-4)]. Нитрогеназная система может также восстанавливать алкилнитрилы и N20. Кроме того, нитрогеназы неизменно катализируют восстановление протонов в Н2 [уравнение (14-5)].

В экспериментах, выполненных в ранний период исследований, было обнаружено, что для фиксации N2 в бесклеточных экстрактах требуется пируват натрия. Наблюдалось также накопление в больших количествах С02 и Н2. Оказалось, что пируват расщепляется под действием пируват-формиат-лиазы (рис. 8-19), поставляя клеткам два важных продукта: АТР и восстановленный ферредоксин. Пируват можно было заменить смесью АТР, Mg2+ и FdBOcCT. Кроме того, восстановленный ферредоксин можно было заменить небиологическим восстановителем дитионитом (S204~). Поскольку ADP оказывает на нитрогеназную систему ингибирующее действие, лучшим способом образования АТР оказалос