Обзор метаболизма азота

Азот является очень важным элементом для жизни, поскольку он является основным компонентом белков и нуклеиновых кислот. Это макроэлемент, и в природе он перерабатывается из органических соединений и сохраняется в форме аммиака, ионов аммония, нитрата, нитрита или газообразного азота в результате многих метаболических процессов. Многие из этих метаболических процессов осуществляются только прокариотами.

Самый большой запас азота, доступный в наземной экосистеме, — это газообразный азот (N₂) из воздуха, но этот азот не используется растениями, которые являются первичными производителями в экосистеме. Газообразный азот преобразуется или «фиксируется» в более доступные формы, такие как аммиак (NH₃), в процессе фиксации азота. К азотфиксирующим бактериям относятся почвенные азотобактеры и вездесущие фотосинтезирующие цианобактерии. Некоторые азотфиксирующие бактерии, такие как Rhizobium, живут в симбиотических отношениях в корнях бобовых. Другим источником аммиака является аммонификация — процесс, при котором аммиак выделяется при разложении азотсодержащих органических соединений. Ион аммония постепенно окисляется различными видами бактерий в процессе, называемом нитрификацией. Процесс нитрификации начинается с превращения аммония в нитрит (NO₂^-) и продолжается превращением нитрита в нитрат. Нитрификацию в почвах осуществляют бактерии родов Nitrosomas, Nitrobacter и Nitrospira. Большая часть азота в почве находится в форме аммония (NH₄⁺) или нитрата (NO₃^-). Аммиак и нитраты могут использоваться растениями или преобразовываться в другие формы.

Внутри растительных клеток аммиак соединяется с глутаматом, образуя глутамин. Затем глутамин преобразуется в другие аминокислоты и нуклеотиды. Позже животные потребляют эти растения и используют аминокислоты для синтеза собственных белков и нуклеотидов. Поскольку животные не могут хранить большой запас аминокислот, то поступившие в организм аминокислоты регулярно расщепляются внутри клеток. Но свободный аммиак, выделяющийся при катаболизме аминокислот, очень токсичен для клеток. Итак, избыток аммиака преобразуется в нетоксичную форму – мочевину – с помощью ряда реакций, называемых циклом мочевины. Затем мочевина выводится из организма через мочу и в конечном итоге возвращается в почву. Позже почвенные бактерии используют фермент уреазу для разложения выделенной мочевины до аммиака, который снова может быть поглощен растениями. Фактически, когда растения и животные умирают, их белок также разлагается микробами с образованием аминокислот. Нитрифицирующие микробы, присутствующие в почве, преобразуют эти аминокислоты в нитриты, а затем в нитраты. Наконец, денитрифицирующие бактерии, некоторые археи и некоторые классы грибов превращают эти нитраты обратно в газообразный азот, возвращая таким образом азот в атмосферу.

Этот текст адаптирован из Openstax, Biology 2e, Section 22.5: Полезные прокариоты