С.С. Медведев - Физиология растений (PDF) (1134225), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Основными структурами клубенька являются : ткани, в клетках которых идет фиксация молекулярного азота бактероидами;проводящие ткани, по которым осуществляется снабжение клубенька фотоассимилята-166ыи и отток азотистых соединений; клетки :меристемы, обеспечивающие рост клубенька .Молекулярный механизм азотфиксации. Молекула азотаN2 (N= N)чрезвычайно прочна и химически инертна. Тем не менее, большая группа микроорганизмовобладает способностью ассимилировать молекулярный азот путем восстановления егодо аммиака с помощью фермента нитроге'НдЗЪL. Процесс редукцииN2доNH 3нитроrеназой , осуществляемый за счет переноса б электронов, сопряжен с восстановлениемн+ ДО н2.
Суммарно эти реакции можно записать следующим образом :N2+ ве - + вн+ + 16АТР---++ Н2 + 16ADP + 16 Р,. .2NНзВ состав нитрогеназного комплекса входят два компонента - Fе-белок и 1\fоFе-белок. Азотфиксирующей способностью обладает только комплекс обоих компонентов.Fе-бело?С состоит изсубъединиц, каждая из которых (в зависимости от организма2азотфиксатора) имеет молекулярную массу отжелезосерный кластеримеет4(Fe4 S4),30до72кДа.
Fе-белок содержит одинкоторый очень чувствителен к кислороду. МоFе-бело?Ссубъединицы общей молекулярной 1\rассой от180до235кДа. Два атома молибдена связаны в двух l\1оFе-S-кластерах. Этот белок также содержит несколько желсзосерных кластеров и инактивируется кислородом.В реакциях, связанных с восстановлениеы азота, принимают участие ферредо?Ссuн ифлаводо?Ссин, которые служат донором электронов в процессе восстановления Fе-белканитрогеназы (рис.5.17).На следующем этапе с Fе-белком связывается АТР.
Далее происходит гидролиз АТР, инициирующий конформационные изменения Fе-белка, который приобретает способность восстанавливать МоFе-белок. На заключительном этапеэлектроны через МоFе-S-кластеры поступают наРис.5.17.N2 иПроцессы, катализируемые нитрогеназойНитрогеназа может восстанавливать не толькомер,N20--+N2, С2Н2--+N2,восстанавливают его доNH 3 .(Dixon, Wheeler, 1986).но и другие субстраты (наприС2Н4, 2н+ --+ Н2). Экспериментаторы часто используют дляоценки активности нитрогеназы способность фермента восстанавливать С2Н2 до С2Н4(для прямого же измерения процесса фиксацииN2необходим масс-спектрометр).Поскольку нитрогеназа разрушается в присутствии кислорода, у азотфиксирующих микроорганизмов имеется ряд механизмов ее защиты.
У ризобий эту функцию167выполняет кислородсвязывающий геr.юпротеид леггемоглобин(легоглобин),придhющий клубенькам розовую окраску. Леггемоглобин присутствует в цитоплазме к""Iеток клубенька в очень высокой концентрациимМ в клубеньках сои) . Белок(0.7глобин синтезируется в клетках растения-хозяина, а гем - в клетках, содержащихбактероиды .Леггемоглобин обладает очень высоким сродством к кислороду, его полунасыщениенаступает уже припри126иМ0 2.н:М10- 200 2,в то время как у гемоглобина крови оно наблюдаетсяЭтот белок обеспечивает транспорт О2 к бактероидам и защищаеттаким образом нитрогеназу от разрушения.В бактероидах функционирует цикл Кребса, который не только снабжает (черезферредоксин) нитрогеназу электронами, но также поставляет дыхательные субстратыдля синтеза АТР и снабжает бактероиды кетакислотами (2-оксоглутаровой и др . ), которые взаимодействуют с аммиаком и образуют аминокислоты, транспортируемые внадземную часть растения .
Основными транспортными формами азота у большинствабобовых растений являются глута.мин, аспарагин и уреиди-аллантоин, аллантонновая кислота и цитруллин.Расчеты показывают, что на связываниечивает до121г молекулярного азота растение затраг углерода органических соединений . При этом необходимо учитывать,что эффективность азотфиксации снижается за счет того, что до ЗD--60% энергииможет расходоваться (и теряться) на процесс восстановления н+ до Н2 , посколькупротоны конкурируют с молекулярным азотом за электроны, поступающие в каталитический центр фермента. Однако некоторые ризобии имеют фермент гидрогеназу,который, расщепляя Н 2 , может поставлять электроны для редукции молекулярногоазота.
Эффективность использования энергетических субстратов у азотфиксаторовсимбионтов выше, чем у свободноживущих микроорганизмов, поскольку, например,AzotoЬacter для восстановления1гN2использует до28- 40г углерода органическихсоединений .Ассимиляция нитрата. Нитрат, попадая в растение, восстанавливается до аммония, который затем включается в аминокислоты. Процесс редуr.::ции нитрата в растениях осуществляется в два этапа. На первом этапе происходит восстановление нитратадо нитрита, сопряженное с переносом двух электронов и катализируемое ферментомнитратредуптазоil:NОЗ+ HAD(P)H + н+ + 2е ----+N02+ HAD(P)+ + Н2О .Нитратредуктаза высших растений является димером, который состоит из двухидентичных субъединиц с молекулярной массой100кДа.
Каждая белковая субъединица включает молибденовый комплекс (МоСо), молекулы гема иFAD:2еNO]+--NO]+--NADH2еNADHДимер нитратредуктазыМолибден включается в фермент в виде комплекса (хелата) с соединением, называемым птерино.м. Без молибдена нитратредуктаза не функционирует. В процессе восстановления нитрата электроны от168NADHпередаются на FАD-содержащий домен, азатем через геммновый домен поступают на молибденовый комплекс фермента и далеена нитрат.
В каждой из субъединиц имеет место двухэлектронный перенос. Редукциянитрата непосредственно идет на Мо-комплексе фермента.Нитрит- очень активный и токсичный ион, поэтому в растениях он быстро восстанавливается до аммония нитритредуктазой. Нитритреду""таза состоит из полипептида с молекулярной массойкластера(Fe4S4)63кДа и двух простетических групп-железосерногои гема:Следует отметить, что железосерный кластер(Fe4S4)нитритредуктазы принимает участие не только в восстановлении нитрита, но и в процессе редукции сульфата.Несмотря на то, что листья и корни содержат разные формы этого фермента, процессредук:ции нитрита в них идет однотипно согласно уравнениюN02 + бФдвосст + 8Н+ + б е ---+NH! + бФдокисп +дН20.Нитритредуктаза осуществляет перенос шести электронов от б молекул восстановленной формы ферредоксина (Фдвосст) на нитрит с образованием аммиака.
Восстановление ферредоксина в листьях происходит за счет фотосинтетического транспортаэлектронов (см. с .50),а в гетеротрофных тканях-за счет окисленияNADPH,синтезируемого в пентозофосфатном пути окисления глюкозы.Анализ кинетики процесса восстановления нитрита показывает, что пара переносчиков электронов Fе 4 S 4 -гем (работающая в сопряженном режиме) связывает нитритна ферменте и восстанавливает его сразу до аммония. Поэтому превращениеN02 --+NH;t" происходит без образования (накопления) каких-либо промежуточных продуктовво внешней среде .Нитритредуктаза листьев кодируется ядерным геномом, синтезируется в цитоплазме, транспортируется в хлоропласт, где осуществляется окончательная сборка фермента .
Нитрат, свет и сахароза активируют процесс транскрипции нитритредуктазныхмРНК, а аспарагин и глутамин подавляют этот процесс.Ассимиляция нитрата может успешно идти как в побегах, так и в корнях растения . Если нитрата мало, он ассимилируется в корнях. Когда ионов NОЗ много, онипоступюот в листья, где восстанавливаются до аммония.Ассимиляция аммония. Ионы аммония, образовавшиеся при восстановлении нитратов, фиксации молекулярного азота или поступившие из почвы, усваиваются далеерастениями путем образования различных аминокислот и амидов. Первичные путиэтого процесса связаны, в первую очередь, с активностью двух ферментов - глутаминсинтетазы и глутаматсинтазы.169Глута.минсинтетаза (ГС) присоединяет ион аммония к глутаминовой кислоте собразованием глутамина.
Эта реакция требует АТР и ионов Mg 2+ , Мп 2 + (или Со2+)в качестве кофакторов. Фермент глутаминсинтетаза состоит изпочти идентичныхсубъединиц, молекулярная масса всего комплекса достигаеткДа. В растениях8350имеются две формы глутаминсинтетазы, которые отличаются по структуре, свойствам и функциям. Одна из них локализована в цитоплазме, а вторая - в хлоропластах и пропластидах. Активность глута.матсинmаз'Ьt {называемой также глутамин2-оксоглутаратаминотрансферазой, или ГОГАТ) стимулируется при увеличении содержания глутамина. Этот фермент осуществляет перенос одной аминогруппы глутамина на 2-оксоглутаровую кислоту с образованием двух молекул глутаминовойкислоты:соон1HC-NH 21СНzсоонГлутамин-т~АТР1+HC-NH 211C-NH 2оо1HC-NH2 + HC-NH2сн 2111с-о-11о2-ОксоглутаратГлутаминс оон1сн 2с-о-11с оон1NAD+сн 2с-о-"Глутitматт ~NADH +н+)о1сн 21сwtтазаС=ОСН 21РнГлутамат-11сн 2ADP+сн 2с оон1сиитетаза )о1сн 21СН 21с-о-1111оо2 молекулы глутаматаВ растениях встречается два типа ГОГАТ: донором электронов для первого типа фермента являетсяNADH,а для второго - восстановленный ферредоксин.
NАDНзависи:мая ГОГАТ функционирует в корнях {участвует в ассимиляции логлощенногоаммиака) и в сосудах молодых листьев {обеспечивает реутилизацию азота Глутамина,поступающего из стареющих листьев). Ферредоксин-зависимый тип ГОГАТ синтезируется в цитоплазме и с помощью специального пептида переносится в хлоропласты, гдепринимает участие в фотосинтетических превращениях.Помимо основного способа ассимиляции аммония, связанного с активностью глутаминсинтетазы иглутаматсинтазы, в растительном организме имеются иальтернативные пути , в которых участвуют другие ферменты. Глута.матдегидрогеназа катализирует обратимую реакцию, которая приводит к синтезу (или дезаминированию)глутаминовой кислоты:с оон1С=О1сн 2.NAD(P)H1+NН4 +Глу_тамат-СООНдегидрогеназат""'"\/1HI-NH2NAD(P)+СН 21СН 2сн2с-о-с-о-111о2-Оксоглутарат1ПоГлута:матАспартата.минотрансфераза способна переносить аминогруппу с глутамата на щавелевоуксусную кислоту с образованием аспарагиновой кислоты:170с оонсоонАспартшпаминотрансфераза11HC-NH 2+1С=ОСН 2СНzс-о-11СН 2СН 2СН 2с-о-1111c-NH 2+111111ос-о-1С=О1СН 2с оонсоонос-о-1111ооОкеалоацетатГлутамат2-ОксоглутаратАспартатАспарагинсинтетаза обеспечивает перебрас аминогруппы с глутамина на аспараrиновую кислоту с образованием амида- аспарагина:со онсоон1HC-NH 2+1СН 21СН 21C-NH1•сzжтетазаr-~2СН 2дТР1с-о-ADP+Р1111c-NH 2соонсоонАспарагин-11HC-NH21HC-NH 2+11СН 2CHz11C-NH 2СНz111оос-о-u11ооГлутаминАспартатАспарагинГлутаматСильное освещение и высокое содержание углеводов повышают активность ферментов основного пути ассимиляции аммония (ГС и ГОГАТ), но угнетают активность аспарагинсинтетазы.
При снижении интенсивности фотосинтеза аспарагинсинтетаза активируется и возрастает содержание аспарагина - основной запасной и транспортнойформы азота в тканях растения .5.3.2.Ассимиляция сульфатаПроцесс включения серы в органические соед.инения состоит из трех этапов. Напервом этапе происходит активация сульфата под действием фермента АТР-сулъфури.1/дЗ'Ьt, который катализирует отщепление от молекулы АТР пирафосфата и замещениеemна сульфат:сульфат+ АТР----+ аденозин-5'-фосфосульфатВрезультате этойреакцииотносительно инертный+РРн.сульфатпреобразуетсяваденозин-5'-фосфосульфат (АФС) и приобретает, таким образом, способность включаться в обмен веществ.На втором этапе ассимиляции происходит восстановление сульфата АФС вначаледо сулъфита (SO~-), азатем до сулъфида (s 2 -).В хо,де редукции сульфатаАФС можеттакже иметь место образование комплекса фермент-тиосульфонат (R-SOЗ), которыйдалее восстанавливается в тиосульфид(R- S-):171so~-СульфuтредуктазаСульфитТ•s2-~ Сульфид<Dдвосст <Dдокисл1\.МРА ФС-редуктазаноредоксипооо1111_ АТР -сульфурuлаз~ АдениоСН2-О-Р-О- S-O502Н · Н111 ·Су~ьфат Т~АТРнРРннОНо-----+-оОНАденозин-5:..фосфосульфат (А <DC)А ФС-сульфо-трансфераза~ГлутатионТиосульфонат1Jo____._р-::ед=="у,_к_т"""""аз::::а--~"R-503~МР ТиосульфонатНа третьем этапе тиосульфид(R- s-)/?""-===-:::::~(<Dдвосст <Dдокислили сульфид~R-s-Тиосульфид) взаимодействует с 0-аце(S 2 -тилсерином с образованием чистеина и уксусной кислоты:с оонHC-NH2т1сн 21с оонСеринаце111Wlтрансфераза1Ацеrnл-СоАО-аце111Wlсерии(тио)лиаза1""'\"'HC-NH21СН 2СоА1HC-NH 21сн 21SHо1Сер ин-,?"""'\Ацетат52-или R-5-1онс оонЦисте инС=ОМетионин +- +- ,./1СН 30-ацетилсеринФермент 0-ацетилсеринтиолиаза (цистеинсинтетаза), участвующий в синтезе цистеина, обнаружен в цитоплазме, пластидах и митохондриях растительных клеток.Цистени в свою очередь служит предшественником еще одной серосодержащей аминокислоты- .метионина.В процессе превращения сульфата до цистеина происходит изменение валентностисеры от+ 6 до - 4,что требует притока10 электронов.Донорами электронов на различных этапах восстановления сульфата служат глутатион, ферредоксин (Фд), тиоредоксин,NAD(P)Hи 0-ацетилсерин.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
