1. Азотофиксация. Нитрогеназа

Превращение молекулярного азота атмосферы в аммиак осуществляется азотфиксирующими бактериями. Некоторые из этих микроорганизмов, а именно бактерии Rhizobium, проникают из почвы в корневую систему растений, главным образом зернобобовых культур (соя, горох, фасоль, люцерна), образуют на корнях клубеньки, в которых и происходит связывание атмосферного азота. Эти бактерии находятся в симбиозе с растениями. Они питаются органическими веществами, доставляемыми растениями, а сами снабжают растение азотными соединениями, поэтому зернобобовые растения не нуждаются в азотных удобрениях. Атмосферный азот могут усваивать и некоторые свободно живущие в почве микроорганизмы, например анаэробные бактерии Clostridium и аэробные, принадлежащие к роду Asotobacter. Превращение молекулярного азота в аммиак представляет собой сложный ферментативный процесс. Ферментная система, участвующая в фиксации атмосферного азота, называется нитрогеназой. Нитрогеназный комплекс состоит из белковых компонентов двух типов:

– белок 1 – молибдоферредоксин (Мо – Fe – протеин), или собственно нитрогеназа, содержащая четыре идентичные субъединицы, в каждую из которых входят два атома молибдена, негеминовое железо, лабильный сульфид;

– белок 2 – азоферредоксин, или редуктазный компонент (Fe – белок) является димером, содержит негеминовое железо и лабильный сульфид.

Нитрогеназный комплекс представляет собой ассоциацию двух димерных молекул белка 2 с одним тетрамером белка 1.

Восстановление молекулярного азота до NH₃ идет в три этапа по схеме:

Для восстановления N₂ в NH₃ требуется 6 электронов и 6 протонов источником которых должен быть мощный восстановитель. Донором водорода для нитрогеназного комплекса является НАДФН+Н⁺. Для фиксации азота требуется также энергия в виде АТФ. На каждый перенесенный электрон затрачивается 1 молекула АТФ. Электроны переносятся к белкам нитрогеназы двумя различными типами белков – переносчиков электронов: ферредоксином (Fe –S белок) и флаводоксином (ФМН – содержащий белок).

Превращение азота в аммиак можно представить следующей схемой:

Наконец, N₂ связывается с белком 1 и восстанавливается до NH₃ – продукт фиксации азота микроорганизмами NH₃ может прямо использоваться растениями для всех азотосодержащих органических соединений.

2. Реакции биосинтеза аминокислот

В синтезе аминокислот источником азота служит аммиак, источником углерода являются промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот, гликолиза, гексозомонофосфатного цикла, цикла Кальвина.

Существуют следующие основные пути синтеза заменимых аминокислот.

1. Восстановительное аминирование -кетокислот: по этому пути неорганический азот (NH₃) превращается в органический – входит в состав аминокислот.

2. Трансаминирование – перенос аминогруппы от аминокислоты – донора этих групп – к -кетокислоте – акцептору групп.

3. Превращение одной аминокислоты в другую.

4. Прямое аминирование фумаровой кислоты.

1. Восстановительное аминирование-кетокислот

В ассимиляции аммиака особая роль отводится промежуточному продукту ЦТК – -кетоглутаровой кислоте. Под действием фермента глутаматдегидрогеназы, локализованной в матриксе митохондрий, из NH₃ и -кетоглутаровой кислоты синтезируется глутаминовая кислота (Глу), в качестве восстановителя используется НАДФН + Н⁺. Реакция протекает в две стадии через образование иминокислоты:

Суммарную реакцию восстановительного аминирования можно записать в следующем виде:

Эта реакция имеет фундаментальное значение в азотистом обмене растений, микроорганизмов, человека и животных.

Глутаминовая кислота является донором аминогрупп при биосинтезе всех белковых аминокислот. Она же – предшественник синтеза пролина и оксипролина и второго важного соединения, участвующего в ассимиляции NH₃, – глутамина (Глн).

Глутамин служит затем источником азота в биосинтезе биомолекул, наиболее важными из которых являются пиримидины и пурины.

У многих бактерий аспарагиновая кислота служит предшественником амида аспарагиновой кислоты (Асн) в реакции, катализируемой аспарагинсинтетазой:

Глутаматдегидрогеназа и глутаминсинтетаза являются весьма активными ферментами и препятствуют накоплению токсичного аммиака в живой клетке в повышенных концентрациях, переводя его в связанную органическую форму – глутаминовую кислоту и глутамин.