عامل ژنتیکی کنترل‌کننده

در هرگونه يا هر نوع از همزيستي، احياء N_۲ به‌صورت آمونياک (تثبيت ازت) به‌وسيله مجموعهٔ آنزيم نيتروژناز تنظيم مى‌شود. توليد نيتروژناز به‌وسيلهٔ ژن nif کنترل مى‌گردد که در روى يک کروموزوم و در مجاورت با ژن his واقع شده است. ژن his خود سنتز اسيدآمينهٔ هيستيدن را کنترل مى‌کند. عصارهٔ خالص آنزيم نيتروژناز به تنهائى قادر به تثبيت ازت نمى‌باشد، لذا تصور مى‌شود که تعداد بيشترى از ژن‌هاى موجود زنده تثبيت‌کننده ازت و ميزبان در جريان تثبيت ازت دخالت داشته باشند.

به‌وسيلهٔ شانمگان نشان داده شده است که يک ژن موسوم به gln سنتز اسيدآمينهٔ گلوتامين را کنترل مى‌کند، و اين ژن اجازه مى‌دهد که در سنتز گلوتامين به‌جاى گلوتامات مستقيماً از NH_۴ استفاده شود. آمونياک معمولاً در بروز اثر ژن nif اثر بازدارندگى دارد ولى بعضى از نژادهاى جهش يافته ريزوبيوم که داراى توانائى بازدارندگى بودند شناسائى شده‌اند، اين نژادها مى‌توانند اثر ژن nif را با وجود حضور NH_۳ بروز دهند.

کشف اين حقيقت که ژن nif با موفقيت از Klebsiella pneumoniae که يک باکترى تثبيت‌کننده ازت است به باکترى Escherichia coli انتقال مى‌يابد و اشرشيا نيز توانائى تثبيت ازت پيدا مى‌کند تائيد ديگرى بر وجود اين ژن (nif) مى‌باشد.

نژادهائى از باکترى شناخته شده‌اند که در تثبيت ازت غيرمؤثر مى‌باشند. معلوم شده که غيرمؤثر بودن نژادهاى R.trifolii روى شبدر قرمز در نتيجه دو ژن مى‌باشد. غير مؤثر بودن ارقام شبدر قرمز به‌عنوان ميزبان نيز به‌وسيلهٔ ۴ ژن کنترل مى‌شود. عدم تشکيل گره در بعضى از لاين‌هاى سويا نيز در نتيجهٔ عمل يک ژن واحد بوده است. عوامل اساسى و متعددى در عمل تثبيت ازت شناخته شده‌اند که همگى تحت کنترل ژنتيکى بوده و در تمام موجودات زنده تثبيت‌کننده مشترک مى‌باشند.

۱. مجموعهٔ آنزيم نيتروژناز:

اين آنزيم شامل دو نوع پروتئين مى‌باشد، کوچکترين پروتئين يک پروتئين آهن‌دار (Fe protein)، بوده و داراى وزن مولکولى ۷۰۰۰-۵۰۰۰ است و بزرگترين پروتئين يک پروتئين آهن و موليبدن‌دار (Mp-Fe protein)، است که وزن مولکولى آن ۲۲۰۰۰ و ۲۰۰۰۰ مى‌باشد. هر دو پروتئين حاوى اسيد آمينه‌هاى گوگردى هستند.

عقيده بر اين است که ازت براى احياء شدن به‌صورت آمونياک، ابتدا با پروتئين آهن و موليبدن‌دار، پيوند ايجاد کرد و MgATP، به پروتئين آهن‌دار اتصال مى‌يابد. آنزيم نيتروژناز به‌صورت خالص جدا شده است. اين آنزيم در خارج بدون برآورده شدن احتياجات اختصاصى آن، قادر به تثبيت N_۲ نمى‌باشد. هر دو ترکيب پروتئينى آنزيم نيتروژناز به‌وسيلهٔ اکسيژن (o_۲) غيرفعال مى‌شوند. بنابراين ميزان (o_۲) در مجاورت نيتروژناز بايستى دقيقاً تنظيم شود (آلبرشت و گزکين، ۱۹۸۲).

۲. احياءکننده‌ها:

تبديل N_۲ به N⁺_۴ يک جريان احيائى مى‌باشد که نيازمند الکترون است. عقيده بر اين است که دهنده‌هاى الکترون يعنى نوکلئوتيدهاى پيريدين (NADPH و ATP)، از طريق فرى‌داکسين يا فلاوداکسين احياء مى‌شوند. معلوم شده است که باکترى c.pasteurianum به مقدار زياد از پيروات جهت توليد الکترون به‌منظور احياء فرى‌داکسين استفاده مى‌کند و به‌ازاء هر مولکول پيروات ۲-e توليد مى‌کند. در سيستم‌هاى بدون سلول Na_۲S_۲O_۴ به‌توان ۲، مستقيماً به‌عنوان دهندهٔ الکترون مورد استفاده قرار مى‌گيرد.

۳. لگ‌هموگلوبين (در غده‌هاى بقولات):

لگ‌هموگلوبين فقط در بافت‌هاى غده‌دار بقولات وجود دارد و در ساير سيستم‌هاى تثبيت‌کنندهٔ ازت ديده نمى‌شود. والنتين و همکاران به‌دنبال مطالعات وسيع خود اين رنگدانه را در قارچ‌ها و مخمرها شناسائى کرده ولى در ساير گياهان عالى (به‌جزء بقولات) وجود نداشته‌اند. در ابتدا تصور مى‌شد که لگ‌هموگلوبين در درون بافت‌هاى غده‌ها قرار داد. سلول‌هاى ميزبان حاوى باکتريوئيد، از ساير سلول‌هاى آلوده نشده بزرگتر هستند. فعاليت نيتروژناز و تثبيت ازت در بقولات به مقدار زياد با محتوى لگ‌هموگلوبين آنها (در حالت قرمز يا صورتى رنگ) در ارتباط است. زرد يا قهوه‌اى شدن نشان‌دهندهٔ پيرى يا از کارافتادن باکتريوئيدها است که معمولاً در اثر شرايط نامناسب بروز مى‌کند. رنگ سبز يا سفيد گره‌ها غيرمؤثر بودن فعاليت نيتروژناز را آشکار مى‌سازد. اهميت فيزيولوژيکى رنگدانهٔ لگ‌هموگلوبين به‌طور کامل درک نشده است، ولى احتمالاً در عمل انتقال اکسيژن (o_۲) براى انجام تنفس در غده‌ها و توليد ATP، مورد نياز مى‌باشد و مى‌توان گفت که مشاهدهٔ تعداد، اندازه و رنگ غده‌ها نشانه‌اى از وضعيت تثبيت ازت در بقولات است.

۴. ATP:

اين نوکلئوتيد پيريدينى داراى اهميت بسيار زيادى مى‌باشد زيرا هيچ ترکيب ديگرى قادر نيست که جانشين آن گردد ولى در واقع کاتاليزور جنبى(MgATP (Cofactor، در عمل دخالت دارد. به‌نظر مى‌رسد که براى تبديل ۱ مول N_۲ به NH+۴ و سپس به اسيد گلوتامين (اسيدآمينه) در حدود ۲۰ تا ۳۰ مول ATP موردنياز مى‌باشد. ساير اسيدهاى آمينه بعداً در طى واکنش‌هاى ترانس آميناسيون از اسيد آمينهٔ گلوتامين ساخته مى‌شود. روى‌هم ۶ الکترون براى تبديل يک مولکول N_۲ به ۲NH۳ موردنياز است. شدت فتوسنتز بالا و يا منبع کربن ديگرى جهت اکسيداسيون مواد و ATP حاصل از تنفس لازم است.

۵. حفاظت از اکسيژن (o_۲):

اگرچه تشکيل غده در بقولات و اغلب موجودات زنده تثبيت‌کنندهٔ ازت به o_۲ نيازمند است. اين گاز (o_۲) بر روى فعاليت آنزيم نيتروژناز اثر بازدارنده دارد (باند، ۱۹۵۱). اکسيژن به‌طور مشخصى از اتصالات و پيوند بين N_۲ و پروتئين‌ آهن و موليبدن‌دار و پيوند MgATP و پروتئين آهن‌دار ممانعت مى‌کند. در بعضى از موجودات تثبيت‌کننده ازت، ملاحظه شده است که تثبيت ازت در پتانسيل‌هاى پائين (o_۲ ۰/۸-۰/۲ اتمسفر) بهتر شده است، در حالى‌که حضور o_۲ در مورد باکترى C.pasteurianum به‌طور کامل بروز اثر ژن nif را متوقف مى‌کند. در کنار o_۲ مواد ديگرى چون H_۲، CO و NO نيز بر روى فعاليت آنزيم نيتروژناز اثر بازدارندگى دارند. سطوح اکسيژن حتى در محيط مجاور، بر روى فعاليت نيتروژناز تأثير گذاشته و عقيده بر اين است که پوششش اطراف باکتريوئيدها به حفاظت آنها از تأثير o_۲ کمک مى‌رساند.