2017-05-23 23:29:59
Во второй части статьи про «безжизненный» элемент мы рассмотрим самых незаметных, но самых важных участников превращений азота в природе.
Вначале повторим основные термины.
Как мы знаем, жизнь для своего существования требует затрат энергии.
Реакции, приводящие к расщеплению и окислению веществ с получением энергии, называются катаболизмом.
Анаболизм – пути, приводящие к синтезу основных сложных органических веществ.
Как быстро запомнить различие между катаболизмом и анаболизмом: анаболики – вещества, используемые для наращивания мышечной массы, они стимулируют синтетические процессы – анаболизм. Катаболизм – это затрата ресурсов на производство энергии.
Энергию живые организмы получают в ходе окисления веществ (органических или неорганических). Это происходит в процессе дыхания или брожения. В данной статье будет рассмотрено только дыхание. Дыхание можно упрощенно представить следующим образом:
Для дыхания важен субстрат – донор электронов, вещество, которое будет окисляться в дыхании. По нему организмы делятся на литотрофов (неорганический субстрат) и органотрофов (окисляют органические вещества. Например, мы с вами – органотрофы).
Важен и конечный акцептор электронов. Самый распространенный окислитель в дыхании – кислород. Им пользуемся и мы с вами, окисляя органические вещества. Такие организмы зовутся аэробами. Но на Земле есть и другие хорошие окислители. Например, тот же нитрат. Организмы, использующие в качестве окислителя не кислород – анаэробы.
Энергию можно получать не только в дыхании, но и аккумулируя энергию света, как это делают растения. По типу получения энергии для синтеза сложных веществ организмы делятся на фототрофов (используют энергию света – фотосинтетические организмы) и хемотрофов (используют энергию химических связей органических и неорганических соединений). Нетрудно догадаться, что люди – хемотрофы. Сложнее классифицировать растения. Они днем получают энергию от фотосинтеза, являясь фототрофами, но при этом они аэробно дышат и тоже получают АТФ в митохондриях, являясь хемотрофами. Как и любая биологическая классификация, данная – не без изъяна.
Помимо энергии, для синтеза органических веществ необходимо поступление химических элементов, входящих их состав. Водород и кислород получить несложно – воды и кислорода вокруг хватает. Сложнее обстоит дело с углеродом и азотом.
По источнику углерода организмы делятся на автотрофов и гетеротрофов. Автотрофы способны восстанавливать углерод из углекислого газа в органические соединения (растения). Гетеротрофы получают его с пищей в виде уже готовых органических веществ (животные, грибы).
Что касается усвоения азота, то об этом пойдет речь в остальной части статьи.
Из этой длинной вводной части важно понять:
Азотсодержащие соединения используются организмами для двух целей:
Благодаря множеству степеней окисления азот может выполнять в дыхании роль как восстановителя (субстрата), так и окислителя.
Для облегчения восприятия предыдущего текста предлагаем следующую таблицу:
|
Источник энергии |
Донор электронов (субстрат дыхания) |
Источник углерода |
|
|
СО2 |
«Чужая» органика |
||
|
Свет |
Органика |
фотоорганоавтотрофы |
фотоорганогетеротрофы |
|
Неорганика |
фотолитоавтотрофы |
фотолитогетеротрофы |
|
|
Химические связи |
Органика |
хемоорганоавтотрофы |
хемоорганогетеротрофы |
|
Неорганика |
хемолитоавтотрофы |
хемолитогетеротрофы |
|
Организмы из всех ячеек таблицы существуют в природе, и подавляющее их большинство – бактерии (у эукариот метаболизм менее разнообразен). О части из них будет рассказано в этой статье в связи с азотом.
Вначале рассмотрим общую схему:
Глобальный цикл азота включает в себя атмосферу и почву. В почве можно выделить две зоны. В верхнюю проникает кислород из воздуха – это аэробная зона, в ней осуществляется аэробный метаболизм. Ниже кислород не проникает – это анаэробная зона.
Основные процессы: азотфиксация, нитрификация, денитрификация, аммонификация.
Это чрезвычайно важный в биосфере процесс. Это единственный у живых организмов способ связать атмосферный азот в аммоний (а как мы знаем, без аммония не сделать ни белки, ни нуклеиновые кислоты).
Общее уравнение:
N2+6H++6e- = 2NH3
Эукариоты вообще не способны к азотфиксации. Фиксировать атмосферный азот могут только некоторые виды бактерий и архей.
Среди азотфиксаторов есть как свободноживущие виды, так и симбионты.
Свободноживущие азотфиксаторы обитают в почве. Есть как анаэробные (некоторые клостридии), так и аэробные виды. Часть фотосинтезирующих бактерий тоже фиксирует азот (некоторые зеленые, пурпурные бактерии, некоторые цианобактерии).
Симбиотические азотфиксаторы являются симбионтами растений. От растений они получают источники углерода и энергии, и другие питательные вещества, а растение получает от бактерий связанный азот в виде аммония. Самый известный пример такого симбиоза – симбиоз растений семейства Бобовые с клубеньковыми бактериями –ризобиями (от греческого ризо – корень). Они живут в корнях этих растений, образуя клубеньки. Симбионты есть не только у бобовых. Водный папоротник азолла формирует полости в листьях, в которых поселяются азотфиксирующие цианобактерии. Некоторые цианобактерии образуют симбиоз со мхами. Другие бактерии (актиномицеты) образуют симбиоз с древесными растениями – ольхой, облепихой, казуариной. У них тоже есть корневые клубеньки. На этом примеры симбионтов растений не исчерпываются.
Проникновение ризобий в корень хозяина – интересный процесс, ведь каждый вид бактерии специфичен к виду хозяина. Корни растений выделяют свои метаболиты в почву, в ответ на них бактерии выделяют специальные молекулы, которые опознаются рецепторами корней растения. Затем корень формирует вырост и захватывает бактерий.
Проникновение ризобий из почвы в растение-хозяина. Перибактероидная мембрана – это мембрана клетки растения, образовавшаяся после проникновения бактерий в клетку.
Фермент, отвечающий за фиксацию атмосферного азота, у всех микроорганизмов называется нитрогеназа. У большинства бактерий этот белок содержит связанный атом молибдена и железа (у немногих бактерий он содержит ванадий+железо или просто железо).
Фиксация атмосферного азота энергозатратна! На нее тратится АТФ, а также восстановительные эквиваленты (происходит восстановление азота). Аммиак образуется не сразу, а через несколько промежуточных стадий, включающих образование гидразина (эти стадии связаны с ферментом).
Нитрогеназа «боится» кислорода! Она инактивируется им. Поэтому азотфиксаторы защищаются от кислорода несколькими способами:
1. Некоторые живут в анаэробных условиях.
2. Некоторые цианобактерии становятся «многоклеточными» и заводят специальные клетки, окруженные толстой оболочкой – гетероцисты. В гетероцистах не идет фотосинтез, а идет только фиксация азота.
Нитчатая цианобактерия, стрелкой обозначена гетероциста.
3. Стенки клубенька защищают бактерий от проникновения воздуха.
4. Ризобии защищаются от кислорода, синтезируя белки – лег-гемоглобины. По строению они напоминают гемоглобин животных, переносящий кислород в крови. Белковую часть синтезирует растение, а гем – бактерия.
Самое главное:
Схема процесса:
Нитрифицирующие организмы окисляют восстановленные соединения азота (аммиак и нитрит) с целью получения энергии. Т. е. мы с вами окисляем с этой целью органику, а они – соединения азота. Потому они относятся к хемолитотрофам. Хемо – потому что используют в качестве источника энергии энергию связей. Лито – потому что донором электронов является неорганическое соединение.
Окисление аммония осуществляется в две стадии:
Эти две стадии осуществляются разными микроорганизмами.
Нитрификаторы обеих фаз – аэробные микроорганизмы.
Аммиак и нитрит окисляются в электрон-транспортной цепи, конечным акцептором электронов является кислород.
Окисление аммиака до нитрита осуществляется через промежуточное соединение – гидроксиламин NH2OH.
К аэробной нитрификации способны как бактерии, так и археи. Большинство их автотрофы – фиксируют углекислый газ.
Недавно был открыт одностадийный процесс окисления аммония до нитрата, осуществляющийся одним видом бактерий. Он называется комаммокс (completely ammonium oxidation). Но классический вариант нитрификации – это именно двухфазное окисление двумя группами микроорганизмов.
Процесс окисления аммония микроорганизмами использовался раньше для изготовления пороха (его компонент – селитра – это нитраты натрия и калия). Отходы со скотобоен закапывали в землю, и аммиак, выделяющийся при гниении белков, восстанавливался до селитры.
Аммоний может окисляться и анаэробно. Тогда его восстановителем служит нитрит. Энергия, выделяющаяся при этом окислении, тоже используется клеткой для энергетических нужд.
Этот процесс называется Анаммокс (anaerobic ammonium oxidation). Анаэробный – потому что происходит без доступа кислорода:
Промежуточные продукты в процессе анаммокс – гидразин N2H4 и оксид азота NO.
Теперь можем немного дополнить схему окисления аммония:
Самое важное:
Если в предыдущем случае соединения азота являлись донорами электронов, то есть восстановителями, то здесь соединения азота выступают окислителями – акцепторами электронов.
Процесс называется нитратным и нитритным дыханием (или нитрат-редукцией и нитрит-редукцией), осуществляется разнообразными микроорганизмами. То есть это пример анаэробного дыхания.
Нитрат и нитрит служат окислителями для органических соединений в отсутствие обычного окислителя – кислорода.
Общая схема процессов:
Нитрат восстанавливается в электрон-транспортной цепи до нитрита. Есть организмы, которые останавливаются на этом, а есть, которые восстанавливают нитрит дальше.
Дальнейшее восстановление нитрита может идти двумя путями:
Бактерии, восстанавливающие нитрат до нитрита, обитают не только в почве, но и у нас в кишечнике. Например, это бифидобактерии, которых особенно много в кишечной микрофлоре грудных младенцев. Нитриты, получающиеся в этом процессе, токсичны для организма. Они связываются с гемоглобином, не давая ему переносить кислород. Поэтому для человека, а особенно для младенцев, очень опасны нитраты. Нитраты являются распространенной пищевой добавкой к колбасам и другим мясным изделиям, их содержание в пище строго контролируется.
Использования нитрата как акцептора в дыхании называют ассимиляционной нитрат-редукцией.
Процессы восстановления нитрата могут идти у микроорганизмов и без запасания энергии, а просто с целью получить аммоний для синтеза аминокислот и азотистых оснований. В данном случае процесс аналогичен восстановлению нитратов у растений. Он называется диссимиляционной нитрат-редукцией.
Ассимиляция – совокупность процессов синтеза в живом организме.
Диссимиляция – энергетический обмен, катаболизм, процесс метаболического распада сложных веществ до более простых, процесс окисления.
Самое главное:
Аммоний из среды включается микроорганизмами в состав аминокислот и азотистых оснований. Синтез азотистых оснований – сложный процесс и останется за рамками статьи. Включение аммония в состав аминокислот в общих чертах показан на примере растений, у бактерий принципиальных отличий нет.
При разрушении аминокислот аммоний выделяется в почву. Данный процесс, как и восстановления нитрита, называют аммонификацией. Что поделать, путаницы с биологическими терминами нам никак не миновать.
На этом мы завершаем рассмотрение биогеохимических превращений азота. По иронии судьбы этот элемент назвали безжизненным, потому что он не поддерживал дыхание. Но теперь мы знаем, что это главный биогенный элемент, естественно, вместе с углеродом, кислородом и водородом.
1) 
Ответ: а, б – нет, в, г – да, д – нет. Нитрификация состоит из двух фаз, осуществляемых двумя разными группами микроорганизмов. Первая группа окисляет аммоний до нитрита, а вторая – нитрит до нитрата. То есть в среду надо добавить аммоний и нитрит.
2) 
Ответ: а – нет, б, в – да, г – нет, д – да.
а) клубеньковые бактерии осуществляют другой процесс, а именно фиксацию атмосферного азота до аммония;
б) приводит в конечном счете к выделению аммония и других продуктов азотного обмена в результате дезаминирования аминокислот;
в) это и есть нитрификация;
г) денитрификаторы превращают нитрит в атмосферный азот;
д) азот из белков и азотистых оснований превращается в аммоний.
3) 
Полезно знать про гетероцисты, хотя вопрос связан с фотосинтезом, а не азотом.
Ответ: б,в – да, остальные нет. Фотосистема II выделяет кислород при окислении воды, поэтому ее надо отключить. Клеточная стенка не пропускает кислород из окружающей среды.
4) 
Ответ: 1 – Г. Мел действительно растворяется в кислоте (образуется растворимая соль кальция, углекислый газ и вода). В среде нет органики, значит, можно предположить, что мы имеем дело с хемолитоавтотрофом или с фотолитоавтотрофом. В качестве восстановителя (донора электронов) в данной среде можно использовать аммоний, а окислять его до нитрата. То есть будет выделяться азотная кислота.
2 – Л. Хемосинтез – способ автотрофного питания, в котором источником энергии для синтеза органических веществ из CO2 служит окисление неорганических веществ. В данном случае это окисление аммония.
3 – О. Водородные бактерии в качестве источника энергии окисляют водород. Больше тут нет примеров бактерий, окисляющих неорганические вещества.
4 – Х. Хемосинтез был открыт великим русским ученым С. Н. Виноградским.
5) 
Ответ: а, б, в – нет, г, д – да. Нитрификаторы осуществляют окисление азота, аммонификаторы, разлагающие белки, степени окисления азота не меняют.
6) 
Ответ: г. Бактерии разлагают нерастворимые белки из своего субстрата, например, разжижают желатин. Так действуют многие бактерии, поселяющиеся на гниющих животных остатках.
Список литературы:
P.S.: Первые две книжки можно использовать при подготовке к олимпиадам, третья книжка написана слишком сложным языком. Четвертая – американский учебник с красивыми картинками и яркими схемами, но, к сожалению, не переведена на русский язык.
