И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 94
Текст из файла (страница 94)
Идентифицировано 8 аммонийных транспортеров у арабидопсис, а также у других видов, например томатов. Усвоение аммония. Независимо от происхождения, )т(Не включается в органические соединения через синтез аминокислот. В процессах усвоения аммония наиболее значимы реакции биосинтеза глутамата и глутамина (рис. 6.43). Хронологически раньше было установлено, что усвоение аммония идет через восстановительное аминирование 2-оксоглутаровой кислоты, катализируемое глутаматдегндрогеназой (ГДГ), с образованием глутаминовой кислоты (Глу): 2-оксоглутаровая + 1ЧНт + НАД(Ф)Н + Н Глутамат + НАД(Ф)'+ Н20. н,)ч о С 1 СН, СН, 1 Н,Х вЂ” С вЂ” СОО- 1 н Глутамии СОО 1 СН, 1 СН, 1 С О 1 СОО етотлутарат АДФ+ Ф„ НАД(Ф)Н или 2Фл '~)чн( НАД(Ф)' или 2Фл,„ АТФ СОО 1 Сн, 1 СН, 1 'Н,М вЂ” С вЂ” СОО 1 н Глута мат СОО 1 СН, 1 СН, 'Н,Н вЂ” С вЂ” СОО- 1 н Глутамат Рис.
6.44. ГС/ГОГАТ путь ассимиляции аммония Фермент работает в обе стороны, и соотношение аминирующей и дезаминирующей активности зависит от доступности субстрата и восстановителя. ГДГ обнаружена практически у всех высших растений. В корнях и листьях фермент локализован преимущественно в митохондриях (НАДН-зависимая ГДГ), хотя в листьях обнаруживается хлоропластная (НАДФН-зависимая ГДГ).
Первоначально ГДГ считали главным ферментом ассимиляции аммония, однако его сродство к ХНа невелико: К = 10 — 80 мМ. В норме концентрация аммония в тканях таких значений не достигает. С другой стороны, активность ГДГ увеличивается при прорастании семян и старении, т.е. в те периоды развития, когда ускорены процессы распада, в том числе аминокислот. Количество мРНК (ГДГ) и активность фермента увеличиваются в темноте при снижении уровня углерода. В результате образующийся после дезаминирования и-кетоглутарат дополнительно включается в цикл Кребса.
В целом эти факты свидетельствуют о важной функции ГДГ в катаболизме аминокислот и в реассимиляции больших количеств аммония, образующегося при фотолыхании в митохондриях. В 1974 г. Р.Ли и Б. Мифлином был описан глутаматсинтазный цикл, который включает две последовательные сопряженные реакции (рис.
6.44). Мне сначала включается в глутамин в реакции, катализируемой глутаминсинтетазой — ГС (ЕС 6.3.1.2). Далее глутаматсинтаза (глутаминоксоглутаратаминотрансфераза — ГОГАТ) катализирует взаимодействие глутамина с 2-оксоглутаровой кислотой. В результате образуются две молекулы глутамата, одна из которых может быть использована в качестве субстрата для ГС„а другая — для гчН4 АТФ АдФ+ Фн цнтозоль Гггущмат р0 ...
ГлУгамин (2Х) Г" ' Экспорт глугарат золь Рис. 6.45. Внугриклеточная локализация ГС1 и ГС2 Глугамат рат Глугамат Глугамин Глутамат Глугамин ХНе аминокислот Фотаяыхание Восстановление Хоз Восстановление Хоз Поглощение из почвы 370 Рис. 6.46. Внутриклеточное распределение ферментов ГС/ГОГАТ циклов в корнях и листьях высших растений транспорта„запасания или дальнейшей метаболизации. Восстановителями для этой реакции могут быть ферредоксин (Фд ) или НАДФН (Фд-ГОГАТ; ЕС 1.4.7.1 и НАДФН-ГОГАТ; ЕС 1.4.1.14 соответственно).
Обе реакции формируют ГС/ГОГАТ-цикл с чистым преобразованием одной молекулы а-кетоглутарата и аммония в одну молекулу глутамата. Этот цикл является важнейшим механизмом первичной и вторичной ассимиляции аммония — «входными воротами» для 1ч в азотный метаболизм растений. ГС представлена двумя изоформами, обнаруженными у большинства видов и отличающимися по субклеточной локализации: цитозольной — ГС1 и пластидной — ГС2 (рис. 6.45). Обе формы кодируются гомологичными, но отдельными ядерными генами. ГС1 и ГС2 по биохимическим характеристикам ьч игго значительно не различаются. Сродство ГС к ХН«очень высокое (К„= 3 — 5 мкМ).
Различия отчетливо проявляются йт впю: ГС2 преобладает в листьях, работая на первичную ассимиляцию и реассимиляцию аммония при фотодыхании. ГОГАТ также представлена двумя изоформами. Фд-ГОГАТ выявлена исключительно у фотосицтезирующих организмов, НАДФН-ГОГАТ вЂ” у растений и бактерий. Последняя иногда более активна в присутствии НАДН, чем НАДФН, и поэтому называется НАДН. Обе формы локализованы в пластидах (рис.
6.46). 6.3.2.4. Интеграция азотного метаболизма на уровне целого растения С и Х вЂ” два главных конструктивных элемента, обеспечивающих рост и развитие растений. Фиксация СОз за счет световой энергии происходит исключительно в хлоропластах. Усвоение минерального азота — процесс «делокализованный». Весь поглощаемый аммоний и часть нитрата превращается в азот органических соединений в корнях, но энергией и органическими субстратами ассимиляцию Х обеспечивает фотосинтез в виде притока сахаров по флоэме. Азотный обмен на основе продуктов фотосинтеза составляет наиболее развитую сторону метаболизма корней: здесь синтезируются аминокислоты и амиды„уреиды, никотин, нуклеиновые кислоты, цитокинины и другие азот- содержащие органические соединения.
Нитрат ассимилируется как в корнях, так и в листьях. При усвоении в листьях только первая реакция восстановления нитрата до нитрита локализована в цитозоле. Азот нитрита включается в состав аминокислот и амидов в строме хлоропластов и обеспечивается энергией за счет световых реакций фотосинтеза. Общая субклеточная компартментация азотного и углеродного метаболизма на уровне хлоропласта ставит в первую очередь вопрос о распределении энергоресурсов между обменом С и Х в хлоропласте. После ассимиляции СО2 восстановление и включение азота нитрита в состав аминокислот — наиболее значимый энергопотребляемый процесс в хлоропласте.
Редукция 1 моль СОз до уровня восстановленности сахаров требует приблизительно 4е или 8 квантов света (2 моль НАДФН и 3 моль АТФ) (рис. 6.47). Для превращения ХО2 в 1чН«с использованием восстановленного Фд в хлоропласте требуется бе (12 квантов) и еще 2е (4 кванта) требуется для превращения Глу — )чН2 в Глу. Дополнительно к этому 1 моль АТФ нужен для синтеза Глу — 1чНь Если принять во внимание, что нитрат в цитозоле может 371 цитоз 1,3-ФГК ФГА АТФ Рнс. б.47. Распределенно восстановительных и энергетических эквивалентов фотосинтеза на ассимиляцию одного моля углекислоты и нитрата.
Пояснения в тексте быть восстановлен также за счет энергии фотосинтеза в виде челночного выноса и превращения триоз в цитозоле, общий расход будет больше на 2е „или 4 кванта. Таким образом, на усвоение нитрата в фотосинтезирующей клетке расходуется по меньшей мере 20 квантов. Кроме того, необходимо учесть затраты энергии на реассимиляцию в хлоропласте аммония фотодыхания, приток которого на порядок превышает приток нитрита. Хотя энергозатраты на ассимиляцию 1 моль нитрата в 2,5 больше, чем на ассимиляцию 1 моль СОм величина ассимиляции СОз в 5 — 20 раз выше, чем величина светозависимой ассимиляции нитрата, и можно думать, что активность электронного транспорта в хлоропласге используется предпочтительно на ассимиляцию углерода. Однако в стационарных условиях пул Фд (2 мМ), как правило, восстановлен даже в темноте, и его достаточно, чтобы обеспечить электронами все взаимодействующие с ним ферментные системы (ФдНАДФ-оксидоредуктазы, НиР, ГОГАТ, сульфитредуктазу и тиоредоксинредуктазу).
Более того, нитрит, будучи акцептором электронов, участвует в поддержании редокс-статуса компонентов ЭТЦ, стимулируя нециклический электронный транспорт. Кроме того, нитрит конкурирует за электроны с кислородом и, вероятно, препятствует появлению токсических активных форм кислорода. Возможно также, что увеличение чувствительности к фотоингибированию у хлоропластов растений, испытывающих азотное голодание, обусловлено отсутствием значительного стока электронов на восстановление МОз.
Таким образом, процессы фотоассимиляции СОз и 1ЧО2 не конкурируют за восстановительные эквиваленты в хлоропластах. Отсутствие конкуренции между двумя этими базовыми процессами находится в полном соответствии с тем, что обычно наблюдается в естественной среде: снабжение азотом усиливает рост и, следовательно, общую фиксацию СОФ 372 Взаимодействие и ре1 уляция процессов ассимиляции углекислоты и азота в хлоропласте существует также на уровне притока субстратов (СОп ХОг, а-кетоглутаровая кислота) и удаления продуктов ассимиляции (глутаминовая кислота, ФГА).
Одним из главных факторов регуляции образования нитрита в цитозоле выступает доступность восстановителя в виде НАДН (см. выше). Если источником восстановителя служат фотосинтетические реакции, то восстановительная сила поступает в цитозоль из хлоропласта за счет выноса ФГА или дигидроксиацетонфосфата и их окисления до ФГК с образованием НАДН и АТФ. У С«-видов растений особое значение имеет челночный транспорт оксалат (ЩУК) — малат. Транспорт нитрита из цитозоля в хлоропласт регулируется через светоза- 2+ висимые изменения рН, концентрации Мя и образование АТФ в ФС1, а также через редукцию ХО~; вероятно, это и есть то самое место, где контролируется процесс усвоения окисленного азота в хлоропласте.
Данных о сколь-либо существенном синтезе а-кетоглутаровой кислоты в хлоропласте нет. Транспорт а-кетоглутарата в хлоропласт происходит одновременно с экспортом глутамата и с участием двух транслокаторов. Перенос а-кетоглутарата активируется в присутствии ХН«, ХО~ и дикарбоновых кислот (малага, сукцината, фумарата).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
