Рис. 36. Желтая пятнистость листьев ананасового апельсина при недостатке молибдена.

Основная трудность связана с исключительной инертностью молекулы азота из-за очень высокой энергии тройной связи  которая составляет 942 кдж/моль (первая связь обладает энергией 532 кдж/моль, две другие соответственно составляют 251 и 159 кдж/моль). Преодолеть такой высокий барьер энергетической связи возможно при помощи ферментов — природных белковых катализаторов, ускоряющих процесс активации молекулярного азота.

Установлено, что в процессе биологической фиксации атмосферного азота главную роль играет фермент нитрогеназы, состоящий из двух белков. В состав молекулы одного из них входят 2 атома молибдена и около 30 атомов железа (молибдоферредоксин, или Fe-Mo — белок), в состав другого — только атомы железа (азоферредок- син, или Fe — белок). Роли между этими металлами — железом и молибденом—четко разграничены. Молибден активирует молекулу азота (таким же свойством обладает ванадий), а ионы железа используются как переносчики электронов. Весь процесс требует присутствия сложного соединения АТФ — аденозинтрифосфата, который служит источником энергии. Энергия, запасенная в фосфатных связях молекулы АТФ, составляет 40 кдж/моль.

Лабораторная фиксация атмосферного азота — это восстановительная реакция с участием активированного азота и водорода. Механизм действия молибдена заключается в образовании биядерного комплекса, содержащего по два атома металла на одну молекулу азота. На поверхности ферментного комплекса нитрогеназы при участии энергии АТФ активированная молекула азота восстанавливается активированным водородом до аммиака.

В промышленном производстве аммиака энергия активации реакции азота с водородом составляет 70— 80 кдж/моль, а при ферментативных многоступенчатых реакциях с участием молибдена и других микроэлементов, когда образуется активированный азот, она составляет 12—20 кдж/моль. В природе процесс фиксации атмосферного азота с образованием аммиака осуществляется более рационально.

М. Е. Вольпин и В. Б. Шур в Институте элементоорганических соединений АН СССР изучили механизм химической фиксации азота соединениями молибдена и другими переходными металлами. Они высказали соображение, что образование аммиака происходит по схеме:

Активация азота осуществляется через образование комплекса с переходными металлами. Доставка активированного водорода к активированной молекуле азота осуществляется при помощи фермента (оксидоредуктазы). Успехи моделирования процесса биологической фиксации азота показывают, что биохимические процессы протекают при непосредственном участии молибдена (и возможно других металлов) с образованием комплексов.

Участие молибдена в биохимических процессах азото- фиксации подтверждается тем, что в клубеньках бобовых культур процессы фиксации азота протекают с непременным участием молибдена. Поэтому из всех известных растений наибольшую потребность в молибдене испытывают именно бобовые культуры. Правда, клубеньковые бактерии в чистой культуре не способны к биологическому процессу азотофиксации. Этот процесс осуществляется лишь в симбиозе с высшими растениями.

Проблема фиксации азота клубеньками бобовых культур привлекает внимание ученых еще с конца прошлого века. В 1893 г. выдающийся русский физиолог К. А. Тимирязев в лекции «Источники азота растений» подробно останавливался на усвоении молекулярного азота бобовыми растениями. Он говорил, что в результате заражения особыми микроорганизмами на корнях бобовых культур образуются клубеньки (желвачки, как их называл К. А. Тимирязев), в которых и осуществляются процессы усвоения азота из воздуха. Правда уровень экспериментальной техники того времени и методическая сложность проведения опытов с клубеньками, отделенными и не отделенными от корней, не позволили доказать поглощение азота из атмосферы. Но К. А. Тимирязев глубоко верил в фиксацию азота клубеньками бобовых культур и никогда не подвергал это свое убеждение сомнениям.

В том же 1893 г., когда К. А. Тимирязев читал свою историческую лекцию и говорил о возможной фиксации атмосферного азота бобовыми растениями, другой русский ученый С. Н. Виноградский впервые выделил свободноживущие в почве анаэробные бактерии Clostridium pasteurianum, которые, так же как и клубеньки бобовых культур, были способны фиксировать молекулярный азот воздуха. Открытые С. Н. Виноградским бактерии в процессе фиксации молекулярного азота из воздуха способны превращать глюкозу в уксусную СН3СООН и масляную СН3СН2СН2СООН кислоты с выделением углекислого газа и молекулярного водорода.

В 1945—1957 гг. Д. Н. Прянишниковым и И. В. Тюриным были проведены соответствующие расчеты, которые показали интересные результаты. Оказалось, что клубеньковые бактерии (симбиотические азотофиксаторы) на корнях люцерны связывают в среднем около 300 кг азота на 1 га, причем после уборки урожая 100 кг этого азота остается в почве и используется последующими культурами, высеваемыми на эти же пахотные земли в общей системе севооборота. Несколько меньше, но все же значительное количество азота связывается клевером, примерно 150—160 кг/га. Из них 75—100 кг остается в почве и обогащает ее. Такими же примерно азотонакоплениями обладает люцерна и несколько меньше — горох и вика.

Кроме участия в фиксации азота, другой важнейшей стороной физиологической роли молибдена является его участие в восстановлении нитратов и синтезе аминокислот у растений. Дело в том, что поступившие в растения нитраты должны быть непременно восстановлены, поскольку только эта восстановленная форма азота включается в биосинтез белка. Роль молибдена в восстановлении нитратов была впервые показана в 1937 г. В присутствии молибдена был зафиксирован усиленный рост растений, если в питательной среде находились еще и нитраты; аммонийный азот при этом оказывал очень незначительный эффект. Позднее, в 1948 г. было высказано предположение о катализирующем действии молибдена на процесс восстановления нитратов. Выяснилось, что снижение молибдена приводит к накоплению нитратов в растениях. В некротических пятнах листьев растений, страдающих от молибденовой недостаточности, было обнаружено больше нитратов, чем молибдена. Подобное явление наблюдалось у салата, цветной капусты и др.

Роль молибдена в процессе восстановления нитратов стала ясна лишь после того, как было обнаружено, что он входит в состав фермента нитратредуктазы. Для того чтобы разобраться, какое значение имеет молибден при действии нитратредуктазы, посмотрим, что входит в состав этого фермента и как он участвует в восстановлении нитратов. Нитратредуктаза содержит в небелковом компоненте — простетической (активной) группе флавинадениндинуклеотид (ФАД) или флавинмононуклеотид (ФМН), от которых молибден переносит электроны к группе N03", причем в качестве донора электронов и водорода служат восстановленный никотинамидаденин- динуклеотид (НАД • Н) или восстановленный никотинамидаденин — динуклеотидфосфат (НАДФ • Н). Схематически это можно изобразить так:

Таким образом, восстановление нитратов до нитритов осуществляется в присутствии нитратредуктазы ионом молибдена Мо+5, обратимо переходящим в степень окисления +6. В настоящее время нитратредуктазы выделены из различных растений: кормовых бобов, цветной капусты, водорослей и др. Установлено наличие молибдена как металла простетической группы нитратредуктазы в сое, цветной капусте, пшенице, рисе и некоторых других высших растениях.

Есть одна особенность молибдена в функциональной деятельности нитратредуктазы. Активность этого фермента полностью восстанавливается только при наличии молибдена (а точнее, его солей). Другие микроэлементы (медь, железо, ванадий, кобальт) решить эту задачу не в состоянии.

Является установленным фактом, что у растений, не получающих молибдена, наблюдается падение содержания аминокислот (аспарагиновой, глутаминовой, аланина, арганина и пролина) и как следствие снижение синтеза белка. При внесении молибдена и меди содержание белков в клубеньках кормовых бобов существенно возрастало. Этот процесс образования белков в клубеньках бобовых растений был непосредственно связан с увеличением содержания свободных аминокислот. В клубеньках кормовых бобов отмечено повышение свободной глутаминовой кислоты, серина и глицина, а в клубеньках люпина наблюдалось накопление аспарагина, совместное внесение этих элементов в дерново-подзолистую, суглинистую и супесчаную почвы, бедные молибденом и медью, в большей мере повышало урожай зерновых культур и увеличивало содержание в них белка.

Воздействие молибдена на содержание аминокислот — сложный процесс, и зависит он прежде всего от источника азотного питания. Например, при недостатке молибдена растения, имеющие в питательной среде нитраты, снижают содержание ряда аминокислот, а в присутствии нитритов, аммиачных солей, мочевины, глутаминовой кислоты увеличивают их концентрацию. Имеются данные, которые позволяют полагать, что влияние молибдена на аминокислоты зависит также от состава самих аминокислот.

Остановимся на последней, третьей группе биохимических процессов, протекающих с непосредственным участием молибдена. Это влияние молибдена на биосинтез нуклеиновых кислот и белков. Молибден, находящийся в клетках растений, не остается индифферентным, а вступает во взаимодействие с другими элементами минерального питания растений. Одним из важнейших таких актов является взаимодействие молибдена с фосфором, что влияет на биосинтез нуклеиновых кислот и белков. Внесение соединений молибдена в питательную среду растений увеличивало содержание в них белкового фосфора на единицу белка и благоприятно отражалось на синтезе нуклеиновых кислот. Следовательно, фосфорные удобрения повышают эффективность действия молибдена на жизнедеятельность растений, что сказывается на синтезе хлорофилла и каротина.

Благоприятное влияние молибдена на образование хлорофилла наблюдалось как в случае нитратного, так и в случае аммиачного питания растений. Разница заключалась в значении pH. На фоне аммиачных солей молибден давал эффект лишь при pH 6,5. В более кислых средах, например при pH 5,3, в условиях аммиачного питания молибден на синтез хлорофилла действовал слабо, а иногда даже отрицательно. Но если наблюдалось положительное воздействие молибдена на образование хлорофилла в растениях, то это было однозначно улучшению фосфорного обмена у этих культур. Не исключено также образование целого ряда фосфорномолибденовых комплексов, играющих роль катализаторов в росте и развитии растений.

Молибден существенно влияет не только на фосфорный обмен. При недостатке этого элемента в тканях растений снижается концентрация аскорбиновой кислоты (витамина С), находящейся в ближайшей связи с простейшими сахарами. Отмечено падение концентрации свободной аскорбиновой кислоты в листьях цветной капусты, горчицы, кукурузы в условиях молибденовой недостаточности. В этих же условиях может происходить увеличение связанной формы аскорбиновой кислоты. Соотношение между различными формами аскорбиновой кислоты определяется концентрацией нитратного азота в питательной среде. Имеется прямая зависимость между содержанием азота и связанной формой аскорбиновой кислоты в листьях и корнях растений. В последнее время появились важные сведения о роли действия аскорбиновой кислоты на функциональное состояние хлоропластов.

Можно представить схему участия молибдена в синтезе белка. По-видимому, этот элемент реагирует с фосфором нуклеотидов, а также вступает во взаимодействия с рибосомами, которые непосредственно и осуществляют синтез белка при участии активированных аминокислот. В процессе синтеза белка молибден взаимодействует не только с фосфором, но и с магнием и калием. Есть также основания полагать, что молибден участвует в биосинтезе ферментного белка — нитратредуктазы.