Защита азотфиксации прокариот от токсичности молекулярного кислорода
Очень чувствителен к О2 процесс азотфиксации. Несмотря на это, способность фиксировать N2 широко распространена среди прокариот, различающихся отношением к молекулярному кислороду; она присуща хемотрофам и фототрофам , в том числе цианобактериям , осуществляющим кислородный фотосинтез . Фиксировать N2 могут свободноживущие формы и прокариоты, находящиеся в симбиозе с эукариотными организмами.
Изучение средств защиты этого процесса у прокариот показало, что в большинстве случаев она далека от 100%-й эффективности. Среди аэробных азотфиксаторов можно выделить лишь немногие организмы, способные расти в среде с N2 условиях равновесия с воздухом. Большинство может расти и фиксировать N2 только в условиях пониженной концентрации молекулярного кислорода, т.е. в микроаэробных условиях. Защита нитрогеназы в клетках факультативных анаэробов еще менее эффективна: они могут осуществлять активно фиксацию азота только в анаэробных условиях.
К числу аэробных азотфиксаторов относятся представители рода Azotobacter , у которых обнаружены различные защитные приспособления. Одно из них связано с резким увеличением дыхательной активности клеток, осуществляющих азотфиксацию в аэробных условиях. Дыхание в значительной мере служит в этом случае для "связывания" внутриклеточного О2. При этом обнаружены существенные перестройки как в клеточном строении азотобактера, выражающиеся в интенсивном развитии системы внутрицитоплазматических мембран , так и в организации самой дыхательной цепи, локализованной в этих мембранах. Дыхательная цепь Azotobacter vinelandii достаточно сложная, имеет разветвления на путях переноса электронов на уровне цитохрома b. Транспорт электронов, сопряженный с фосфорилированием, происходит по пути:
цитохромы b переходят в с4 в с5 в а1
При осуществлении "дыхательной" защиты возрастает активность электронного транспорта по ветви цитохромы b в цитохромы d, не связанной с запасанием энергии. Это приводит к тому, что, несмотря на возрастание общей активности дыхания, сопряжение электронного транспорта с запасанием энергии снижается. Таким образом, происходит "сжигание" части углеродных субстратов, которые используются для восстановления О2, без запасания при этом клеткой энергии.
В дополнение к вынужденному "принесению в жертву" части источников углерода высокие концентрации О2 вызывают в клетке обратимые изменения структуры нитрогеназы, делающие чувствительные к молекулярному кислороду участки менее доступными для него. Высказываются разные предположения относительно того, как осуществляется "конформационная" защита. Возможно, при этом происходит изменение взаимного расположения двух нитрогеназных белков. Не исключено участие в защите такого типа клеточной мембраны. Определенная стабилизация нитрогеназы в условиях высокой концентрации О2 происходит при добавлении к ферментному комплексу двухвалентных катионов, Наконец, обнаружены специальные защитные белки, образующие комплексы с нитрогеназными белками и приводящие к повышению их стабильности в присутствии О2. Никаких других функций, кроме защитной, у этих белков пока не найдено.
Большинство азотфиксирующих прокариот способны фиксировать молекулярный азот в микроаэробных условиях. К числу защитных приспособлений у них относятся:
- образование слизи, препятствующей диффузии в клетку О2 и тем самым создающей вокруг нее микроаэробную зону;
- формирование клеточных скоплений, затрудняющих доступ О2 к клеткам, расположенным внутри скопления, которым, таким образом, создаются более благоприятные условия для азотфиксации;
- существование азотфиксирующих видов в ассоциации с неазотфиксирующими аэробными гетеротрофами, защищающими нитрогеназу азотфиксаторов от доступа О2.
Специфические приспособления для защиты нитрогеназы oт высоких концентраций О2 выработаны симбиотическими азотфиксаторами - клубеньковыми бактериями. Уже сами клубеньки, месте активного размножения бактерий и фиксации ими N2, следует рассматривать как структуру, одним из назначений которой является ограничение доступа внутрь молекулярного кислорода. Эту же функцию выполняет содержащийся в клубеньках леггемоглобин (белок, аналогичный гемоглобину), способный активно связывать О2 и контролировать его поступление в бактероиды. В любом случае при осуществлении метаболизма аэробного типа дыхание также будет препятствовать накоплению в клетке молекулярного кислорода.
Наиболее остро стоит проблема защиты процесса азотфиксации от О2 в группе цианобактерий . У всех цианобактерий нитрогеназа чувствительна к О2, имеющему внеклеточное и внутриклеточное происхождение. В соответствии с этим у них можно выделить приспособления, направленные на защиту от экзогенного кислорода, и те, которые предназначены для нейтрализации О2, образующегося внутри клетки в процессе фотосинтеза.
Если все азотфиксирующие цианобактерий рассматривать под углом зрения степени защиты процесса азотфиксации от О2, то их можно разделить на две группы. К первой группе относятся цианобактерий, у которых защита азотфиксации от О2 наименее эффективна, поэтому вегетативные клетки могут фиксировать N2 только в анаэробных или микроаэробных условиях. Вторую группу составляют цианобактерий, у которых для осуществления азотфиксации в аэробных условиях сформированы специализированные клетки - гетероцисты .
У безгетероцистных цианобактерий защита нитрогеназы вегетативных клеток от О2, в первую очередь эндогенного, осуществляется с помощью разделения во времени процессов фотосинтеза и азотфиксации, непрерывного синтеза нитрогеназы, высокой активности супероксиддисмутазы в сочетании с каталазной и пероксидазной активностями. В центре филаментов некоторых безгетероцистных форм часто выделяются слабопигментированные вегетативные клетки, у которых предположительно подавлена способность к фотосинтетической фиксации СО2 и тем самым созданы более благоприятные условия для азотфиксации. (Это не гетероцисты, но, вероятно, именно из них впоследствии развились гетероцисты как центры азотфиксации в аэробных условиях). Средством защиты от экзогенного О2 служит синтез большого количества слизи, часто окружающей клетки азотфиксирующих цианобактерий. Существование в виде колониальных форм также может обеспечивать создание анаэробных условий для клеток, располагающихся в центральной части колонии.
Наиболее совершенна защита от эндогенного и экзогенного молекулярного кислорода в гетероцистах. Гетероцисты не способны к фотосинтетическому выделению О2. А высокие активности окислительного пентозофосфатного пути , поставляющего электроны в дыхательную цепь, где они акцептируются О2, повышенные уровни супероксиддисмутазы сравнительно с вегетативными клетками, образование гетероцистами молекулярного водорода, толстая многослойная оболочка, выполняющая функцию газового барьера, - все это надежно защищает азотфиксирующую систему в гетероцистах от инактивации молекулярным кислородом.
Таким образом, можно только предполагать, что механизмы нейтрализации молекулярного кислорода на различных этапах эволюции взаимодействия с ним клеток были неодинаковы. На каком-то этапе возникли ферментные реакции, катализирующие включение О2 в метаболизм прокариот.
