И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 93
Текст из файла (страница 93)
Поэтому более достоверно компартментацию нитрата отражает трехкомпартментная модель, которая учитывает, наряду с метаболическим и запасным„подвижный пул (ПП) нитрата (рис. 6.33). Восстановление нитрата. Характеристика нитратредуктазы. Восстановление нитрата в растениях (а также в водорослях, грибах и микроорганизмах) осуществляется в две стадии: первая — двухэлектронное восстановление нитрата до нитрита, катализирусмое нитратредуктазой (НР), вторая — шестиэлектронное восстановление нитрита до аммония, катализируемое нитритредуктазой о;,н' РеСХ, Рис. 6.39. Функциональная модель мономера НР (НиР).
Далее аммоний включается в состав аминокислот в реакциях первичного аминирования и амидирования: 2е бе п(Оз — ХО2 — )ч Н4 — аминокислоты НР Нир Первая реакция самая мелленная и лимитирует весь процесс в целом. Нитрит и аммоний токсичны для растения и в норме не накапливаются. Их концентрации в листьях составляют -15 нМ и -1О мкМ на 1 г сырой массы соответственно. По структуре НР (ЕС 1.6.6.1) — металлофлавопротеин, образующий гомодимеры с молекулярной массой 100 кДа, и гомотетрамеры.
Каждая субъединица состоит примерно из 1000 аминокислот и включает три ког)зактора: ФАД, гем-Ре (цитохром Ьз) и молибдоптерин, которые обеспечивают передачу электронов от НАДН на 1хОз (рис. 6.39). Их окислительно-восстановительные потенциалы (Е") соответственно равны — 272, — 160 и — 10 мВ. Фермент имеет центры связывания с НАДН и нитратом.
Большинство Форм НР у растений используют в качестве восстановителя НАДН„но некоторые (соя, кукуруза, ячмень, рис) биспециг1зичны и связываются либо с НАДН, либо НАДФН. Электроны от восстановителя передаются на ФАД, затем через геминовое железо на молибден и далее на нитрат (рис. 6.39). НР локализована в цитозоле. У большинства видов она обнаружена как в корнях, так и в листьях.
У клюквы, белого клевера, цикория НР локализована только в корнях, а у СосИеЬиг — исключительно в листьях. На схеме (рис. 6.40) представлены данные по распределению ассимиляции нитрата между корнями и листьями у разных видов растений. В корнях при низких зкзогснных концентрациях нитрата НР обнаруживается в эпидермальных и кортикальных клетках ближе к поверхности корня. При высоких концентрациях 1МОз в среде НР есть во всех клетках коры и стели. В листьях С1- растений НР локализована в клетках мезофилла, но не в клетках обкладки, так как хлоропласты мезофилла в большей степени продуцируют восстановитель при нециклическом Фотосинтетическом тРанс- Рис 6 40. Вклад корней и листьев в усвопорте электронов.
свис нитрата у разных видов растений 365 НАД(Ф)Н активностью фермента лежит процесс быстрой и обратимой инактивации НР, который происходит в два этапа (рис. 6.41): первый — фос- ФАЛ Ген МоСо НР активная ~3 14-3-3-днмер Рис. 6.41. Регуляция активности питратредуктазы (НР) путем фосфорнлировання и последующим связыиапнем с белком 14-3-4: ПК вЂ” протеннкнназа; ПФ вЂ” пирефесфа- таза ФАЦ Г МеСе НР неактивная Ген 366 Регуляция активности НР. Регуляция активности НР может осуществляться на стадии транскрипции, трансляции и на пост-трансляционном уровне. Транскринционный уровень. НР— фермент, индуцируемый субстратом, со временем полуобновления г,~з -4 — 5 ч.
Индукция нитратом зависит от конститутивного «нитрат-сенсорного» белка неизвестной природы, который предположительно связывается с регуляторной областью гена НР. Регуляторная последовательность, или «нитратный бокс», в промоторе НР идентифицирована. В ответ на поступление нитрата уровень мРНК (НР) быстро увеличивается в течение минут и достигает стационарного состояния в течение нескольких часов. Чувствительность индукционной системы регуляции: 50 мкМ ХОз в течение 1О мин. Изменения в уровне мРНК (НР) наблюдаются в ответ и на другие сигналы: свет, углеводы (сахароза), глутамин. Действие света опосредовано через фитохром. Наиболее четко индукция НР светом проявляется у этиолированных проростков. В темноте накопление сахаров коррелирует с повышением уровня мРНК (НР). Увеличению концентрации Глу — )чНз соответствует снижение количества транскриптов НР.
У растений в стационарном состоянии с игшуцированной НР количество мРНК демонстрирует суточную периодичность с максимумом в предрассветные часы. Возможно, в промоторной области гена НР есть места связывания с разными регуляторными белками, воспринимающими свет, концентрацию Глу — )ЧНп водный и углеродный статус, скорость фотосинтеза и другие лимитирующие условия, которые модулируют восстановление нитрата на транскрипционном уровне. Этап трансляции генетической информации также может быть местом регуляции ассимиляции нитрата, но этот вопрос изучен недостаточно.
11ост-транслнционный уровень. Потенциальная активность НР зависит от: 1) количества функционально активного белка НР; 2) уровня активности белка НР и 3) доступности субстратов в цитозоле. Доступность отдельных структурных компонентов не лимитирует количество функционально активного белка НР. Однако у растений в условиях опти- мального роста и достаточного 1ЧОз снабжения нитратом потенциальная н Ф ФАД Г мосе НР а ВОЗМОЖНОСТЬ ЕГО ВОССтаНОВЛЕН"" НАД(Ф)' Ген ' ' НО; (количество функционально актив- О ного белка, активность НР и о1гго) Фн больше, чем реальная активность НР ((п о(оо).
В основе механизма управления ЫОг + 6Фд„+ 8Н вЂ” ХНе + 6Фд „+ 2НаО В хлоропластах восстановление нитрита через ферредоксин обеспечивается за счет нециклического потока электронов в ЭТЦ фотосинтеза, в нефотосинтетических тканях — за счет НАДФН из окислительного пентозофосфатного пути при участии фсрредоксин-НАДФ'-редуктазы: НАДФН + 2Фд,„(Ре ') — НАДФ' + 2Фд„(Ре ) + Н' НиР— мономер с молекулярной массой 60 — 70 кДа, состоит из двух доменов и кофакторов, которые передают электроны от ферредоксина на нитрит.
Фд Фсрредоксин связывается с И-терминальной последовательностью белковой молекулы. На второй половине белка на С-конце локализовано место связыва- 1Рез] — ~ Сирогем ния с нитритом. Это два железосерных центра [4Ре — 4Я и сирогем (рис. 6.42). Активность НиР на порядок выше фд ХН' е активности НР„поэтому нитрит в обычных условиях не накапливается и скорость ассимиляции нитрата лимитиру- Рис. 6.42.
Фуикциональнаа модель иитритредукгазы форилирование активной НР Сам-зависимой протеинкиназой по серину «первой петли»; второй — связывание !4-3-3-белка с фосфорилироващюй НР и переход НР в неактивное состояние. На втором этапе необходимо наличие м 2+ ионов Мя или Са . Сродство фермента к субстратам в неактивном состоянии не меняется, но блокируется поток электронов от гема на молибдоптериновый домен фермента. Регуляция на уровне транскрипции и обратимая инактивация фермента совместно позволяют растениям точно настраивать интенсивность ассимиляции нитрата в соответствии с конкретным состоянием. Например, транскрипция НР в фотосинтезирующих тканях подчиняется циркадному ритму.
Гены НР наиболее интенсивно транскрибируются в предрассветные часы, но синтезируемый белок НР в это время обратимо ингибируется темнотой и низкой доступностью СОи Метаболитная регуляция на пост-трансляционном уровне определяется содержанием свободного Глу — ХНз и отношением Глу — НН~/Глу. Когда уровень Глу — 1чН1 низкий и нитрат доступен, скорость восстановления нитрата возрастает, в то время как высокий уровень Глу — ХН~ тормозит его восстановление. Предполагается, что регуляторная область связывания Глу — ХНз расположена на Х-конце фермента. У трансгенных растений с конститутивно экспрессированной мРНК (НР) и белком, у которого пост-трансляционный контроль потерян в результате лелеции Х-конца, регуляторная роль Глу — ХН, утрачивается и восстановление контролируется только доступностью НАДН.
Нитритредуктаза. Нитрит, образующийся при восстановлении нитрата, транспортируется в хлоропласты или пластиды в нефотосинтезирующих тканях, где восстанавливается до аммония. Нитритредуктаза (НиР) (ЕС 1.7.7.1), катализирующая эту реакцию, использует в качестве донора бе восстановленный феррсдоксин: 367 ет первая реакция. НиР, так же как и НР, индуцируется нитратом (а не нитри- том) и светом. 6.3.2.3. Поглощение и ассимиляция аммония Глутаминовая клевета Глутаминовая кислота 2-оке отлутарат ~ гдг ~гс Глутаии новая кислота Глутамин 2-океотлутарат ГОГАТ Глутамни оная киелота (2 молекулы) гдг у ГС г'ГОГАТ ттуть Рис. 6.43. Главные пути ассимиляции аммония у растений.
Пояснения в тексте 368 Следующий этап ассимиляции азота — собственно реакции превращения аммония в азот органических соединений. Помимо аммония — продукта восстановления нитрата — растения усваивают ХН4, поглощенный из почвы и образующийся эндогенно в реакциях распада азотсодержащих соединений и при фотодыхании (см.
гл. 3). Поглощение аммония высшими растсниялти обеспечивается двумя различными транспортными системами: высокого и низкого сродства. Транспорт с низким сродством происходит через канал. Система транспорта высокого сродства представлена аммонийным транспортером (К вЂ” !Π— 200 лткМ) с низким сродством к калию.
Перенос МН4 осуществляется в антипорте с Н'. Семейство аммоннйшях транспортеров. У прокариот и эукариот аммонийные транспортеры представлены большим семейством АМТ (апппопштп ггапзроггег Гани!у). Все белки АМТ имеют ! ! трансмембранных доменов и )д(-конец, обращенный в экстраклеточный матрикс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
