Аминокислоты: взгляд химика и биолога

Аминокислоты: взгляд химика и биолога

Российский университет дружбы народов

Аннотация

Аминокислоты рассматриваются как аминопроизводные карбоновых кислот и как составные части белков. Разбираются некоторые химические и физиологические свойства аминокислот и их производных как с теоретической точки зрения, так и в плане их практического применения. Обсуждаются также вопросы биологической ценности белков в питании человека и роль незаменимых аминокислот.

Amino acids: viewpoint of chemist and biologist

Nickolai N. Chernov

Summary

Amino acids are considered as amino-substituded carboxylic acids and as the building blocks of proteins. Some chemical and physiological properties of amino acids and their derivatives are examined in terms of their theoretical basis and practical applications. Biological value of proteins for human nutrition and a role of essential amino acids are also discussed.

ИСТОЧНИКИ АЗОТА В ПИТАНИИ ЧЕЛОВЕКА

Н. Н. ЧЕРНОВ

Российский университет дружбы народов

Несомненно, ХХ век войдет в историю человечества, как время познания белков - важнейших компонентов живых организмов: от синтеза первых пептидов в начале века, установления аминокислотного строения белковых молекул в середине века, к пониманию общих принципов биосинтеза и функционирования белков к концу века. Велик вклад химиков в эти открытия. Однако побудительной причиной интенсивных исследований химии белка было не только естественное для ученых стремление к познанию фундаментальных основ жизнедеятельности клетки, но и подспудное понимание первостепенности проблемы белкового питания для биологического вида Homo sapiens. А это уже проблема социально-биологическая.

ПОТРЕБНОСТИ В АЗОТЕ ДЛЯ ЧЕЛОВЕКА

Человек относится к гетеротрофным организмам, составляющим по массе значительно меньшую часть по сравнению с автотрофами. В его питании обязательно должны присутствовать органические соединения, содержащие азот. Никакое обильное потребление углеводов и жиров (не содержащих азота) недостаточно для поддержания жизненных процессов. Основное количество азота человек получает с белками пищи. Выводится азот из организма преимущественно в составе мочевины (диамида угольной кислоты). Существует равновесие между количеством потребляемого и выводимого из организма азота (ведь взрослый человек не прибавляет в весе ежесуточно). Эту ситуацию очень образно оценивал на лекциях студентам в середине ХХ века, сравнивая биохимика того времени со сторожем у фабричных ворот, который ежедневно наблюдает, какое сырье завозят на фабрику, и какую продукцию вывозят, но имеет весьма смутное представление о том, что же происходит на самой фабрике.

Сколько же белка необходимо взрослому человеку каждый день? Чтобы ответить на этот вопрос надо решить следующую задачу. Ежесуточно из организма взрослого человека с мочой выводится в среднем 25 г мочевины (NH2CONH2), с которой удаляется 85% всего выводимого азота. Сколько граммов белковой пищи поддержат азотистое равновесие, если известно, что массовая доля азота в белке равна 0,16?

Вычислим массовую долю азота в мочевине, относительная молекулярная масса которой (Мr) равна 60: w(N) = 2.14/60=0,47. Тогда масса азота, выделяющегося с мочевиной за сутки, составит: m(N)=w(N).m(мочевины)=0,47.25=11,67 г, а масса всего азота (100%), выводимого ежесуточно с мочой - 11,67.100/85=13,73 г, что составляет примерно 1 моль N. Зная массовую долю азота в белке: 0,16=13,73/m(белка), находим, что масса необходимого для поддержания азотистого равновесия белка составляет: m(белка)=13,73/0,16=85,8 г в сутки.

Итак, задача решена: для поддержания азотистого равновесия в организме человека достаточно ежесуточное поступление 1 моль азота в доступной для организма форме, например, 1 моль аминокислоты аланина (Мr=89), в состав которого входит один атом азота. Это верно с точки зрения химии, однако биологически все сложнее. Одним аланином сыт не будешь. Нужны различные аминокислоты, так как для биосинтеза белков нашего организма, которые все время должны обновляться, необходимо постоянное присутствие всех 20 входящих в их состав аминокислот. В самом организме человека могут синтезироваться не все аминокислоты. Часть из них должна поступать с пищей: таких аминокислот 9 для взрослого человека и 10 для ребенка. Называются они незаменимые, или эссенциальные аминокислоты. Чтобы лучше их запомнить используют мнемоническую схему (первые буквы названий 8 аминокислот составляют отдельные слова):

Фениаланин Валин Метионин

Лизин Лейцин Треонин

Аргинин (для ребенка) Изолейцин

Гистидин Триптофан

Источником незаменимых аминокислот служат белки пищи, которые значительно различаются по аминокислотному составу. Например, основной белок кукурузы - зеин - содержит в своем составе очень мало триптофана. Чтобы обеспечить суточную потребность человека в этой аминокислоте, необходимо съесть большой избыток белка, что создает излишнюю нагрузку на все системы пищеварения, метаболизма и выделения продуктов обмена из организма. Полноценное (в физиологическом смысле) белковое питание должно отвечать двум основным требованиям: 1) содержать все незаменимые аминокислоты, и 2) соотношение аминокислот в белках пищи должно быть максимально приближено к их соотношению в белках организма человека. Таким образом, для поддержания оптимального состояния организма (и особенно быстро растущего организма ребенка) требуется количество белка выше расчетного. Где взять этот белок? Ресурсы сельского хозяйства ограничены, а население Земли неудержимо растет: 1 млрд. человек в 1850 г, 2 млрд. - в 1930, 5 млрд. - в 1985 году, и сейчас мы подходим к шестимиллиардной отметке. По экспертным оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) более 600 миллионов людей на нашей планете не получают достаточного количества пищевого белка, то есть постоянно находятся в состоянии белкового голодания /1/. Недостаток белка в пище вызывает тяжелое заболевание - квашиоркор (kwashiorkor - на языке местного населения Ганы - красный мальчик), от которого страдают в первую очередь дети в странах, испытывающих дефицит белка в питании. Некоторые наметившиеся подходы к решению проблемы белкового питания мы рассмотрим в конце статьи после того, как более подробно познакомимся со свойствами и значением низкомолекулярных азотистых соединений в организме человека.

АМИНОКИСЛОТЫ - СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ БЕЛКОВ

С химической точки зрения аминокислоты - это органические кислоты, содержащие одну или несколько аминогрупп, с биологической - важнейшие азотсодержащие вещества в живой клетке. К настоящему времени в природе обнаружено более 300 аминокислот (к началу века их было открыто 17, к середине - 60, а к 1965 году уже больше 170). Трудно сейчас сказать, почему из множества претендентов для построения белковых молекул были отобраны только 20 определенных аминокислот, закрепленных универсальным для всех живых организмов генетическим кодом. Все эти аминокислоты (одна из них - пролин - представляет собой иминокислоту, содержащую =NH-группу) разнообразны по химическому строению, но им присущи два общих признака: 1) аминогруппа находится в a-положении по отношению к карбоксильной группе, и 2) все они имеют L-конфигурацию. Рассмотрим, что это означает?

Согласно правилам химической номенклатуры названия аминокислот производят от соответствующей кислоты, обозначая расположение функциональных групп в углеводной цепи цифрами. Однако на практике чаще используют исторически сложившиеся, тривиальные названия аминокислот и обозначают атомы углерода в цепи буквами греческого алфавита. Например, диаминомонокарбоновая кислота лизин

e d g b a

CH2-CH2-CH2-CH2-CH-COOH

NH2 NH2

может быть названа: 2,6-диаминогексановая кислота или a, e-диаминокапроновая кислота.

Традиционные названия аминокислот обычно производились от греческих слов, обозначающих, либо источник выделения: аспарагиновая кислота впервые была выделена из спаржи (asparagos), серин - из шелка (serikos), тирозин - из сыра (tyros); либо свойства соединения: глицин - сладкий (glykys), лейцин - белый (leukos).

Благодаря взаимному влиянию карбоксильная группа и аминогруппа в молекулах аминокислот ионизированы, вследствие чего последние как в твердом состоянии, так и в растворах (в достаточно большом диапазоне рН) находятся в виде цвиттер-ионов (биполярных ионов). Кислотность карбоксильной группы наиболее сильно повышается, когда аминогруппа находится в непосредственной близости от нее, то есть в a-положении. Можно сравнить константы диссоциации COOH-группы свободных карбоновых кислот и их гидрокси - и аминозамещенных производных. В таблице приведены значения рКа (по аналогии с рН - отрицательные десятичные логарифмы величин константы диссоциации карбоксильных групп) близких по строению соединений. Из данных, представленных в таблице, следует, что наиболее сильными кислотными свойствами обладают a-аминопроизводные карбоновых кислот: глицин и a-аланин.

Таблица

Влияние заместителей на кислотность уксусной и пропионовой кислот

Соединение рКа (25°)

Уксусная кислота 4,76

Фенилуксусная кислота 4,31

Гликолевая (гидроксиуксусная) кислота 3,83

Глицин (аминоуксусная) кислота 2,34

Пропионовая кислота 4,87

Молочная (2-гидроксипропионовая) кислота 3,86

Аланин (a-аминопропионовая) кислота 2,34

b-Аланин (b-аминопропионовая) кислота 3,60

Продемонстрировать существование ионизированных групп в молекулах аминокислот можно наглядным опытом. Если в большом объеме воды растворить один моль глицина (H3+NCH2COO-, Мr = 75), то объем увеличится на 43,5 мл. Если в том же объеме воды растворить 1 моль незаряженного структурного изомера глицина - амида гликолевой кислоты (CH2OHCONH2, Мr=75), наблюдается значительно большее увеличение объема - на 56,2 мл. Результаты опыта свидетельствуют о том, что в последнем случае молекулы незаряженного изомера равномерно распределяются между молекулами воды, тогда как заряженные молекулы глицина притягивают к себе диполи воды, а также взаимодействуют между собой, вызывая тем самым меньшее изменение общего объема раствора. Электростатическое взаимодействие между молекулами глицина происходит и в кристаллическом состоянии, о чем свидетельствуют более высокие по сравнению с амидом гликолевой кислоты значения плотности глицина (1,595 и 1,390 г. см-3) и его температуры плавления (232-236°C и 117°С) соответственно. Цвиттер-ионная структура аминокислот подтверждается также их высоким дипольным моментом и характерной полосой поглощения 1610-1550 см-1 в инфракрасном спектре твердого вещества или его раствора.

Все a-аминокислоты (кроме глицина) имеют асимметрический a-углеродный атом и существуют в двух зеркальных изомерных формах, называемых энантиомерами (от греч. enantios - находящийся напротив, противоположный), L - и D-конфигурации:

СОО - CОО-

H3+N - С - Н Н - С - N+ H3

R R

L-Аминокислота D-Аминокислота

Пары энантиомеров обладают противоположной оптической активностью, то есть способны вращать плоскость поляризации проходящего света либо вправо, по часовой стрелке, либо влево, против часовой стрелки. Направление оптического вращения (+ или -) для изомеров одного ряда может быть различным, но эквимолярные (равной концентрации) смеси энантиомеров не обладают оптической активностью. Такие смеси называют рацемическими или рацематами (от лат. racemus - виноград), так как впервые это явление наблюдал Л. Пастер в 1948 г. при изучении кристаллического осадка винной кислоты, накапливающегося в бочках при производстве виноградного вина.

Энантиомеры обладают одинаковыми химическими свойствами. Их химический синтез завершается обычно получением D, L-рацематов, которые достаточно сложно разделить на индивидуальные изомеры химическим путем. Совсем по-другому обстоит дело в биологии. Если химику с большим трудом удается идентифицировать или выделить D - или L-изомер, то энантиоселективные (стереоспецифические) ферменты в силу геометрических особенностей своего активного центра делают это очень легко и, “в упор не видят” противоположный изомер. Поэтому, можно предположить, что представители каждого класса биомолекул, которые взаимодействуют с ферментами, должны иметь одинаковую пространственную ориентацию. Действительно, природные аминокислоты и их производные относятся преимущественно к L-ряду, а все моносахариды - к D-ряду. Катализирующие их превращения ферменты - строго стереоспецифичны и не способны действовать на противоположные энантиомеры. Именно по этой причине более редкие природные D-изомеры аминокислот входят обычно в состав пептидов бактериальной стенки микроорганизмов и в состав некоторых пептидных антибиотиков, за счет чего повышается устойчивость таких пептидов к ферментативному расщеплению. А это уже способ биологической защиты на молекулярном уровне!

Стереоспецифичны также наши вкусовые рецепторы. Так, L-изомеры аспарагина, валина, гистидина, лейцина, тирозина и фенилаланина, - воспринимаются как горьковатые на вкус, тогда как их D-изомеры - сладкие. Подобное наблюдение было сделано еще Л. Пастером, но точного объяснения молекулярного механизма причин этого явления нет до настоящего времени.

ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ АМИНОКИСЛОТ

Не совсем ясно, почему все белковые молекулы состоят из L-энантиомеров аминокислот (преимущественно горьких). Это - область загадок и предположений. Как мы уже видели, природа не отвергла совсем D-аминокислоты, доказательством чему служит существование в тканях человека и животных фермента оксидазы D-аминокислот, окисляющего их до соответствующих кетокислот, из которых могут образоваться затем L-аминокислоты в результате реакций переаминирования. Этот тип ферментативных реакций обратимого переноса аминогруппы от одной L-аминокислоты на кетокислоту с образованием другой L-аминокислоты и новой кетокислоты (переаминирование) был открыт в нашей стране в 1937 г. и . Реакции переаминирования широко распространены в живой природе и играют важную роль в перераспределении азота между различными органическими соединениями. Центральную роль в таком перераспределении азота у животных и человека играют глутаминовая кислота и ее амид - глутамин (в плазме крови на их долю приходится 1/3 всех свободных аминокислот):

НООС-CH2 - CH2-CH-СООН NH2 ОС-CH2 - CH2-CH-СООН

NH2 NH2

Глутаминовая кислота Глутамин

Углеродные атомы всех входящих в состав белков аминокислот могут “сгорать” в митохондриях в цикле трикарбоновых кислот Кребса, обеспечивая энергию, необходимую для синтеза аденозинтрифосфата (АТФ). Эти же атомы углерода могут использоваться для синтеза других жизненно важных соединений. Таким образом, аминокислоты белков (а белки составляют 50% сухой массы живых организмов) способны обеспечить практически все энергетические и биосинтетические потребности живых существ. При полном голодании организма его нормальное функционирование в течение довольно длительного времени обеспечивается за счет собственных белков печени и мышц.

В процессе эволюции у многоклеточных организмов аминокислоты (которые всегда под рукой) были приспособлены для синтеза важнейших регуляторных и сигнальных молекул. Из тирозина, например, синтезируются такие гормоны, как адреналин, норадреналин и тироксин. При a-декарбоксилировании (ферментативном отщеплении карбоксильной группы в виде СО2) глутаминовой кислоты образуется g-аминомасляная кислота - медиатор в центральной нервной системе. Декарбоксилирование гистидина приводит к образованию в организме биологически активного гистамина, мощного сосудорасширяющего агента, обладающего медиаторными свойствами в развитии воспалительных и аллергических реакций.

Из циклической аминокислоты триптофана в организме человека синтезируется важное гормоноподобное вещество, медиатор центральной и периферической нервной системы - серотонин. В эпифизе (шишковидная железа) мозга из того же триптофана синтезируется мелатонин. Это соединение привлекает к себе внимание исследователей и интенсивно изучается в настоящее время. Мелатонин синтезируется только ночью, в темноте, поэтому с ним связывают возможные проявления суточного ритма /2/. Он обладает нейрогормональной активностью, влияет на репродуктивную функцию млекопитающих. Недавно было показано, что в присутствии мелатонина скорость окисления ДНК снижается на два порядка. Ведутся поиски клеточных рецепторов мелатонина и выясняются механизмы его действия. Из триптофана же в организме человека синтезируется кофермент никотинамидадениндинуклеотид (НАД+), за счет чего уменьшается потребность организма в витамине РР (никотиновая кислота). При врожденном нарушении всасывания триптофана в кишечнике и реабсорбции его почками (болезнь Хартнупа) наблюдаются клинические признаки авитаминоза РР.

Нет ничего удивительного в том, что появившиеся в самом начале возникновения жизни аминокислоты в процессе длительной эволюции использовались для получения сигнальных и регуляторных молекул, которые действуют в очень низких концентрациях и в течение короткого времени (поэтому их очень трудно обнаружить). Мощными регуляторами являются также многие пептиды, построенные из остатков аминокислот.

Основная часть свободных аминокислот связывается в клетках с транспортными РНК и поступает в рибосомы, где аминокислоты соединяются между собой амидной (пептидной) связью, образуя полипептидные цепи белков. Поражают легкость и быстрота, с которой осуществляется биосинтез белка в рибосомах.

ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ БЕЛКОВ

Белковые молекулы, построенные из остатков аминокислот, являются эффективными исполнителями многих жизненно важных функций /3/. Благодаря своей уникальной пространственной структуре и разнообразию радикалов входящих в их состав аминокислот белки легко и почти безошибочно “узнают” другие молекулы, обеспечивая белково-нуклеиновые, белково-белковые, белково-липидные, белково-углеводные взаимодействия, а также специфическое связывание с другими соединениями и атомами металлов. Поэтому различные белки успешно выполняют каталитические, иммунные, транспортные, рецепторные и регуляторные функции, входят в состав мембран, образуют цитоскелет и различные структурные ансамбли. Кроме того, из всех классов органических соединений только некоторые белки способны трансформировать химическую энергию в механическую (мышцы), световую (биолюминесценция) или электрическую (электрические органы некоторых рыб). За свою многофункциональность белки “расплачиваются” неустойчивостью, лабильностью (от лат. labilis - подвижный, нестойкий). Поэтому необходимо постоянное обновление белков, требующее непрерывного присутствия всех входящих в их состав аминокислот. Откуда их брать?

Растения и большинство микроорганизмов способны сами синтезировать все необходимые им аминокислоты из неорганических веществ. Животные и человек, как упоминалось ранее, лишены этой способности и, более того, постоянно выводят азот из организма. Потери азота необходимо восполнять. Таким образом, мы возвращаемся к рассмотрению проблемы азотистого питания. Наиболее легко и быстро усваивается азот аминокислот, значит организм животных должен постоянно получать аминокислоты.

ИСТОЧНИКИ АМИНОКИСЛОТ

Химики умеют синтезировать a-аминокислоты галогенированием карбоновых кислот в a-положение с последующей заменой галогена на аминогруппу при обработке аммиаком. Однако при этом образуется смесь оптических изомеров, которую трудно разделить.

Микробиологи получают необходимые L-изомеры a-аминокислот как продукт выращивания (ферментации) микроорганизмов, в основном ауксотрофов с нарушенной регуляцией синтеза определенных ферментов. Ауксотрофные мутанты штаммов микроорганизмов Brevibacterium flavum и Corynebacterium glutamicum выращивают на отходах производства сахара - мелассе. При этом в культуральной среде выращивания накапливаются глутаминовая кислота и лизин (не менее 75 г последнего на 1 л среды). Биотехнологи разработали способы промышленного выделения некоторых аминокислот (пролин, цистин, аргинин, гистидин) из гидролизатов природных белковых продуктов /4/.

По данным за 1980 г в мире было произведено за год: 360 000 т глутаминовой кислоты, 50 000 т лизина (из них 80% биосинтетическим путем), 150 000 т метионина (синтетическим путем), 160 000 т треонина, около 250 000 т тирозина (1989 г). Заводы по производству метионина и лизина работают и в нашей стране. Используют полученные аминокислоты в основном как кормовые добавки для скота, а также для производства лекарственных препаратов (метионин, гистидин, g-аминомасляная кислота) и в пищевой промышленности (лизин, глутамат натрия, цистеин). Масштабы промышленного производства аминокислот довольно внушительны и могут быть значительно расширены.

Казалось, что проблема азотистого питания успешно решена: надо синтезировать аминокислоты и использовать их в нужных соотношениях вместо традиционных белковых продуктов питания. Увы, физиологически это неосуществимо. Наша пищеварительная система устроена так, что ферментативное переваривание белков пищи происходит постепенно, сопровождаясь непрерывным разрывом белковых молекул на все меньшие фрагменты (пептиды). Свободные аминокислоты образуются только в средней части кишечника, откуда они всасываются в кровь и попадают непосредственно в печень. В печени эти аминокислоты используются для синтеза экспортных белков (например, альбуминов сыворотки крови) или подвергаются различным превращениям, после чего дозировано направляются в общий кровоток.

Если в желудочно-кишечный тракт поступают свободные аминокислоты, то они сразу всасываются в кровь уже в верхних отделах кишечника, минуя печень. Резкое повышение концентрации аминокислот в крови (аминоацидемия) и тканях организма приводит к накоплению избыточных продуктов их обмена, что вызывает нежелательные последствия, прежде всего в мозге. Таким образом, достигается различный физиологический эффект от съеденного бифштекса (натуральный белок) или его гидролизата (смесь свободных аминокислот). Поэтому белковые гидролизаты и смеси свободных аминокислот находят ограниченное применение только в лечебных целях (например, при заболеваниях пищеварительного тракта) и не могут постоянно использоваться в питании как физиологические заменители цельного белка. Основными источниками азота и аминокислот для нашего организма могут быть только белки пищи.

ПОЛУЧЕНИЕ БЕЛКА

Химический синтез белка, осуществленный впервые в начале шестидесятых годов, до сих пор представляет весьма сложную проблему и не имеет практического значения. Методы генетической инженерии не годятся для крупномасштабного получения пищевого белка. Остаются микробиологические способы выращивания биомассы быстро растущих микроорганизмов на дешевых источниках углерода: спирте, природном газе, парафинах нефти. Эти технологии не являются экологически чистыми и создают угрозу среде обитания.

Тем не менее, созданы заводы по производству из дрожжей белково-витаминных концентратов (БВК). Однако использование БВК ограничено. Технологически сложно отделить белки от нуклеиновых кислот, от субстрата (среды выращивания) и нежелательных примесей. Даже после достижения необходимой степени очистки такой микробный белок по аминокислотному составу оказывается “нетрадиционным” для питания человека и животных (как, например, мясо акул) и не может служить полноценной заменой обычного питания. Поэтому нетрадиционные источники белков находят применение пока только в животноводстве и птицеводстве в качестве ограниченных добавок к комбикормам.

УСВОЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОГО АЗОТА ЖИВЫМИ ОРГАНИЗМАМИ

Каков же выход из создавшегося положения с азотистой недостаточностью? Парадоксальность ситуации заключается в том, что мы живем в океане азота (около 80% атмосферного воздуха составляет газообразный азот), и именно азота не хватает нашему организму. Тому есть две основные причины.

Первая причина заключается в химической инертности молекулярного азота. Наиболее легко ассимилируемой растительными организмами формой азота служит аммиак. Вспомните, насколько сложен способ промышленного получения аммиака из молекулярного азота и молекулярного водорода. Процесс этот экзотермический, то есть нагревание сдвигает равновесие реакции в сторону исходных реагентов, а без нагревания азот не вступает в реакцию. Поэтому процесс приходится проводить при 5000 С и давлении 300 атм., что технологически очень дорого.

Однако природа позаботилась об утилизации молекулярного азота в мягких физиологических условиях, создав уникальный нитрогеназный комплекс ферментов, позволяющий в бескислородной среде восстанавливать азот до аммиака. Система азотфиксации образовалась в самом начале возникновения жизни на Земле. С докембрия (свыше 300 млн. лет назад) существовали прокариотические микроорганизмы - цианобактерии (раньше их называли сине-зеленые водоросли), способные к азотфиксации /5/.

Эволюции этого процесса помешала вторая из причин указанного парадокса - появление атмосферного кислорода. Нитрогеназный комплекс быстро инактивируется в присутствии О2. Чтобы избавиться от О2 аэробные азотфиксирующие микроорганизмы пускаются на разные ухищрения. Каждая девятая клетка цианобактерий дифференцируется в цисту (от греч. kystis - пузырь), толстые стенки которой не пропускают О2 внутрь, где происходит азотфиксация. Симбиотические с бобовыми растениями клубеньковые бактерии используют специфический кислородсвязывающий белок клубеньковых клеток - легоглобин (леггемоглобин) для защиты нитрогеназного комплекса от О2. Аэробы из рода Azotobakter частично разобщают транспорт электронов и синтез АТФ, поддерживая концентрацию О2 на достаточно низком уровне (подробнее см. статью ёва, с. 000).

Все азотфиксирующие микроорганизмы (диазотрофы), включая анаэробов из рода Clostridium, способны ассимилировать (по приблизительным расчетам) около 120 млн. т свободного азота в год, что составляет 0,6% от массы всего атмосферного азота. Эффективность азотфиксации разная: связывание N2 клубеньковыми бактериями в симбиозе с бобовыми растениями обогащает 1 га почвы ежегодно на 200-300 кг азота, тогда как связывание N2 свободноживущими бактериями - только на 15-30 кг (в умеренных широтах).

Результатом увеличения легко ассимилируемого азота в почве является: 1) снижение количества азотных удобрений, 2) усиление биосинтеза аминокислот растениями, 3) повышение содержания растительного белка, 4) повышение продуктивности сельскохозяйственных животных и птицы, 5) снижение белкового дефицита в питании человека.

Учеными разных специальностей разрабатываются три новых направления. Биологи, агрономы и селекционеры пытаются заселить небобовые культуры (например, кукурузу) азотфиксирующими микроорганизмами. Химики и биохимики интенсивно исследуют нитрогеназный комплекс, пытаясь реконструировать его вне живой клетки. Молекулярные биологи и биотехнологи работают над выведением рекомбинантных или трансгенных “самоудобряющихся” культур путем переноса генов азотфиксации в геном высших растений (пока не решена еще проблема защиты от кислорода).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проблема азотистой недостаточности в питании человека реально существует. Организм человека и животных в отличие от растений и микроорганизмов не способен использовать неорганические источники азота и нуждается в полноценном белковом питании для получения всех незаменимых аминокислот, а также для синтеза собственных белков, пептидов и других физиологически важных азотистых соединений. В настоящее время нет возможности обеспечить всех людей и сельскохозяйственных животных необходимым количеством белка. Усилия биологов, химиков, микробиологов, биотехнологов направлены на комплексное решение этой проблемы. При этом биологам невозможно обойтись без химических методов исследований, а химикам порой бывает трудно представить себе предпосылки и отдаленные последствия изменения физиологических процессов.

Требуется определенная доля осторожности при использовании в питании белков, полученных из нетрадиционных источников микробного происхождения. Опыты на животных показывают, что такие белковые препараты даже при достаточной степени очистки могут вызывать неблагоприятные биохимические и физиологические изменения в организме при полной замене ими традиционных источников белка.

ЛИТЕРАТУРА

1.   Пиментел Дж., Кунрод Дж. Возможности химии сегодня и завтра // Пер. с англ. М.: Мир, 1992. 288 с.

2.   Биологические часы // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 7. С. 26-32

3. , Строение и функции белков // М.: Педагогика, 1983, 128 с.

4.   Биотехнология: свершения и надежды // Пер. с англ. / Под ред., с предисл. и дополн. . М.: Мир, 1987. 411 с.

5.   Цианобактерии в биосфере // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 9. С. 33-39