Биологическая фиксация молекулярного азота

Оба металла — железо и молибден, которые являются важными компонентами азотфиксирующих ферментов,— образуют устойчивые комплексы с молекулярным азотом. Этот факт уже сам по себе наталкивает на мысль, что оба металла принимают участие в процессе фиксации азота, по крайней мере на стадии его связывания с ферментом. К сожалению, комплексы, образуемые молибденом (табл. 27), по-видимому, не имеют прямого отношения к биологическим системам, поскольку в них участвует только молибден в состоянии окисления - -1 или О, притом с небиологическими лигандами, главным образом с третичными фосфинами. Такой состав комплекса, вероятно, необходим, чтобы одновременно выполнялся ряд требований, необходимых для связывания молекулярного азота наличие низколежащих тг-акцепторных орбиталей и занятых 0-донорных орбиталей. Хотя комплексы молибдена с молекулярным азотом не исследовались методом рентгеноструктурного анализа, следует ожидать, что молекула азота образует с атомом металла несимметричную структуру, присоединяясь к нему одним из своих атомов, как показано на рис. 50 [148]. Поляризация координированной таким способом молекулы азота приводит к тому, что валентное колебание попадает в инфракрасную область спектра. Значение (Ы—М) молибденовых комплексов (табл. 26) находится в интервале 1925—2220 см характерном и для комплексов N2 с Ре, Со, N1, Ки, [c.321]

Выдающееся значение азотсодержащих органических соединений заключается в построении биополимеров (белка, нуклеиновых кислот), без которых невозможно существование живой материи, что сделало очень важной проблему непосредственной фиксации молекулярного азота, являющуюся предметом широких исследований органической, биологической и радиационной химии. Осложняющим обстоятельством является высокая инертность молекулы азота (энергия диссоциации азота равна 950 кдж/моль при 298°К, а энергия разрыва первой связи — 525 кдж/моль). Поэтому известные производственные методы фиксации азота (в виде окислов или аммиака) осуществляются при высоких температурах и давлениях. В то же время в биологических системах по неясному восстановительному механизму азот усваивается в мягких условиях (например, клубеньковыми бактериями). [c.238]

Другим источником является биологическая фиксация молекулярного азота, которую осуществляют многие группы микроорганизмов. Она безвредна для человека и окружающей среды (в том объеме, в котором она осуществляется в агрофитоценозах и в естественных экосистемах). Большая часть азота в природе фиксируется симбиотическими азотфиксаторами. Они используют продукты фотосинтеза макросимбионта для покрытия энергетических затрат на фиксацию азота и передают связанный азот растению. Способность формировать азотфиксирующие симбиозы, однако, приобрели в процессе эволюции только определенные виды растений и микроорганизмов. [c.54]

Одним из удивительных явлений природы является биологическая фиксация молекулярного азота атмосферы. Этот процесс, грандиозный по своим масштабам и исключительно важный в народнохозяйственном отношении, осуществляется микробами, живущими главным образом в почве и водоемах. От их деятельности зависит плодородие почвы. Вычислено, что над каждым [c.117]

Современные процессы фиксации азота представляют собой реакции грубой силы , которые основаны на применении неорганических катализаторов при высоких температурах и давлениях или же происходят в электрическом разряде. В противоположность этому фиксация молекулярного азота ферментативными системами многих микроорганизмов происходит с высокой скоростью в мягких условиях. Участие в этих процессах ферментов, содержащих переходные элементы, привело к выводу, что активация азота, возможно, обусловлена образованием его комплексов с металлом фермента. После этого активированная молекула азота может подвергаться восстановлению до аммиака. В соответствии с этим активация молекулярного азота может быть осуществлена без использования биологической системы — путем образования комплексов переходных металлов, содержащих азот. [c.351]

Изученные реакции сравнительно простых неорганических комплексов с молекулярным азотом служат моделями хорошо известной фиксации азота биологическими системами, например Аго1оЬас1ег уте1ап(1 ). Из этих бактерий путем экстракции выделены азотсодержащие ферменты было найдено, что они содержат железо и молибден [132]. Эти ферменты восстанавливают азот до аммиака, а также катализируют восстановление N20 до N2, НГ до N2 и ННз и НСН до СН4 и МНз [133]. В настоящее время нет конкретных данных, согласно которым можно было бы представить по стадиям восстановление азота до аммиака этими ферментами. Предполагают, что атомы железа и/или молибдена в ферменте — это та активная часть фермента, где происходит первоначальная активация молекулярного азота. [c.432]

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ФИКСАЦИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО АЗОТА [c.362]

Изучение строения, свойств и превращений азотсодержащих биологически активных веществ не имеет смысла без познания первичных путей образования данных соединений в биосфере, поскольку человек, животные и высшие растения не способны самостоятельно усваивать азот из единственного его природного источника на Земле — атмосферного воздуха, который содержит до 78,2 %(об.) N2. Молекулярный азот, образованный исключительно важным биогенным элементом, отличается сравнительно высокой химической инертностью в условиях поверхности Земли, которая была преодолена природой с помощью специальных механизмов фиксации азота, созданных в процессе эволюции живого. [c.362]

В результате хозяйственной деятельности человека происходят изменения в природном цикле азота. В структуре глобального массообмена азота наиболее значительное изменение связано с промышленной фиксацией молекулярного азота из атмосферы, при производстве азотных удобрений и последующем внесении их в почву. Масса ежегодно фиксируемого промышленностью азота из воздуха превышает 60 10 т. В сельском хозяйстве для искусственного усиления биологической фиксации азота широко применяют бобовые культуры, симбионты с азотфиксирующими бактериями (около 20 10 т/год). [c.63]

Фиксация молекулярного азота - одна из главных функций микроорганизмов в биосфере Земли. Благодаря ей, был создан и ныне поддерживается азотный статус всех наземных и водных экосистем. Несмотря на успехи в производстве минеральных азотных удобрений, свою потребность в азоте человечество более чем на 2/3 покрывает за счет его биологических источников. [c.307]

Во время грозы молекулярный азот воздуха соединяется с кислородом и вместе с влагой попадает в почву. В свою очередь, в почве протекают процессы биологической фиксации азота. Фиксированный азот усваивается растениями и, переходя в организм человека и животного, совершает круговорот, который уже миллиарды лет осуществляется в природе. [c.67]

Азот необходим для жизни, так как он входит в структурный состав белков и аминокислот. В природной среде он существует в нескольких формах, которые имеют динамическую взаимозависимость, описываемую в виде круговорота азота (рис. 5.1). Хотя азот в молекулярной форме (N2) является доминирующим компонентом атмосферы (на него приходится 75% по объему), он может усваиваться в этой форме ограниченным числом организмов, которые способны его фиксировать . Процесс фиксации превращает атмосферный азот, который растворен в воде, прямо в одну из наиболее биологически доступных его форм. Другие организмы затем способны утилизировать азот в этой фиксированной форме либо путем потребления организмов-фиксаторов азота, либо путем ассимиляции продуктов их жизнедеятельности. [c.134]

Возможно, что расщепление пирувата до СО2 и ацетил-СоА в некоторых случаях обеспечивает получение восстановителя с очень низким потенциалом, предназначенного для других биохимических процессов. Примером может служить биологическая фиксация молекулярного азота (гл. 14, разд. А) возможно, что восстановленный ферредоксин или (у Аго1оЬ(1Ыег) флаводоксин с очень низким потенциалом (разд. Р1,5) генерируется при расщеплении пирувата и используется далее в процессах фиксации N2 [141]. В то же время последовательность реакций (8-66) может чаще действовать в обратном направлении в процессах биосинтеза (гл. И, разд. В, 1). [c.273]

Признание огромной роли микроорганизмов в биологически важных круговоротах элементов на Земле связано с именами Сергея Николаевича Виноградского и Мартинуса Бейеринка. С. Н. Виноградскому принадлежит открытие уникального образа жизни — хемолитоавтотрофии и изучение серных и нитрифицирующих бактерий. С. Н. Виноградский и М. Бейеринк независимо друг от друга показали, что фиксацию молекулярного азота способны проводить только микроорганизмы, и выделили свободноживущих и симбиотических азотфиксаторов. С. Н. Виноградским разработан метод накопительных культур. [c.8]

Можно понять специалистов в области координационной химии, полагающих, что, хотя чисто органические ферменты — замечательные катализаторы сами по себе, однако в присутствии ионов металла их химическая активность существенно повышается, вследствие чего возрастает интерес к ним с точки зрения химии. Известно много примеров различных ферментов, содержащих и не содержащих металла, которые катализируют одну и ту же реакцию, действуют на один и тот же субстрат или образуют один и тот же продукт. Так, например, электрон-транспортные белки могут содержать флавины, железопорфирины или ферредоксины, а ферменты, катализирующие восстановление перекиси водорода органическими субстратами, могут также содержать или флавины, или железопорфирины (разд. 8.1). Однако есть и другие реакции, которые, насколько это известно в настоящее время, могут происходить только в присутствии ферментов, содержащих переходные металлы это фиксация азота (разд. 9.2), восстановление нитрата до нитрита (см., в частности, 132]) и некоторые реакции изомеризации, в которых участвуют кобальткорриноиды (разд. 10.2) [18, 1811. И несомненно, должны существовать многие реакции, которые более эффективно катализируются ферментами, содержащими переходные металлы. Эти металлобелковые комплексы или металлоферменты участвуют во многих процессах биологического обмена веществ, однако две реакции заслуживают специального упоминания по двум причинам. Во-первых, эти реакции представляют основной путь, по которому молекулярный азот или нитрат-ионы включаются в биологический обмен. Во-вторых, они тесно связаны с основными способами генерации и конверсии энергии в биологии как переносчики электронов и, возможно, в процессе выделения кислорода в хлоропластах как переносчики электронов и в реакции с кислородом, сопряженной с фосфорилированием и, наконец, при выделении водорода и метана при анаэробной ферментации. [c.134]

Молекулярный механизм азотфиксации. Молекула азота NjIN N) чрезвычайно прочна и химически инертна. Энергия трех ее ковалентных связей составляет 940 кДж/моль. Для разрыва этих связей и восстановления N2 в химическом процессе синтеза аммиака, несмотря на применение катализаторов, требуются, как уже отмечалось, высокие температура и давление. Биологическая фиксация N2 микроорганизмами осуществляется при нормальной температуре и давлении, что свидетельствует об исключительно высокой эффективности участвующего в этом процессе фермента нитрогеназы. [c.225]