Обмен азота в растительных организмах

В данном разделе необходимо ознакомиться с ассимиляцией молекулярного азота, превращением его в нитраты и нитриты, восстановлением последних до аммиака, участием аммиака в биосинтезе аминокислот. Изучите другие пути биосинтеза аминокислот. Особое внимание обратите на процессы переаминирования и ферменты, участвующие в нем. Превращения отдельных аминокислот. Диссимиляция аминокислот: их декарбоксилирование и деаминирование.

Условия, необходимые для биосинтеза белков. Участие ферментов.

Для большей части культивируемых человеком растений источником азота являются аммиак и нитраты почвы. Лишь некоторые из растений способны усва­ивать непосредственно молекулярный азот атмосферы и превращать его в органи­ческие азотистые вещества своего тела. Источником аммиака в почве служат остатки и выделения животных и растений, разлагающиеся в почве под влиянием жизнедеятельности живущих в ней микроорганизмов. Разложение органических азотистых соединений, попадающих в почву с остатками и выделениями растений и животных, происходит таким образом, что, в конце концов, из них образуется ам­миак. Процесс разложения в почве белков, аминокислот, мочевины и других орга­нических азотистых соединений получил название аммонификации, а вызываю­щие его почвенные организмы — аммонификаторов.

Эти микроорганизмы имеют очень активные ферменты. При разложении бел­ков аммонификаторы прежде всего гидролизуют их с помощью мощных протеолитических ферментов, образуя аминокислоты. Свободные аминокислоты подверга­ются далее дезаминированию с образованием в итоге аммиака.

Процесс дезаминирования у аммонифакторов в зависимости от условий может происхо­дить по-разному. Простейший путь дезаминирования — гидролитическое дезаминирование, при котором из аминокислоты и воды образуются соответствующая оксикислота и аммиак:

RCHNH₂—COOH + H₂O→RCHOH—COOH + NH₃

Если разложение белков микроорганизмами идет в аэробных условиях, т. е. при до­ступе кислорода воздуха, то дезаминирование аминокислот приводит к образованию аммиака а соответствующих кетокислот:

RCHNH₂—COOH + 1/2 O₂ → RCO—COOH + NH₃

При восстановительном дезаминировании из аминокислоты получаются аммиак и соот­ветствующая жирная кислота:

RCHNH₂—COOH + 2Н⁺ →RCH₂— COOH + NH₃

В анаэробных условиях, при которых часто происходит гниение белков, многие микро­организмы разлагают аминокислоты таким образом, что одна из них окисляется, а другая восстанавливается, причем выделяется аммиак:

Образовавшаяся кетокислота снова вступает в окислительно-восстановительную реак­цию еще с одной молекулой исходной аминокислоты. При подобном сопряженном окислитель­но-восстановительном разложении гликокола и аланина суммарное уравнение процесса имеет следующий вид:

СН₃—CHNH₂—СООН + 2NH₂CH₂—COOH→ЗСН₃—COOH + 3NH₃ + СО₂
Аланин Гликокол Уксусная кислота

При анаэробных условиях в почве может происходить также декарбоксилирование ами­нокислот; образуются амин и диоксид углерода:

Амин далее разлагается бактериями до СО₂, воды и аммиака.

Значительное количество аммиака образуется в почве при разложении мочевины, попа­дающей в почву с навозом и нечистотами. Аммонификация мочевины осуществляется особой группой бактерий — уробактериями. По-видимому, процесс разложения мочевины уробак­териями идет таким образом, что наряду с аммиаком образуется аммонийная соль карбаминовой кислоты:

Образовавшаяся аммонийная соль карбаминовой кислоты далее взаимодействует с ка­кой-либо оксикислотой, образующейся в результате жизнедеятельности бактерий, и дает гидрокарбонат аммония и соответствующую аминокислоту. Так, например, взаимодействие с молочной кислотой (обычный продукт жизнедеятельности бактерий) приводит к образова­нию аланина и гидрокарбоната аммония:

Аммиак, образовавшийся в почве при аммонификации органических азотистых соединений, либо поглощается корневой системой растений, либо подвергается окислению до нитритов и нитратов благодаря жизнедеятельности нитрифи­цирующих бактерий. Образующиеся при этом нитраты так же, как и аммиак, поглощаются корневой системой и используются растениями для построения аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и других азотистых соединений.

Некоторые из живущих в почве микроорганизмов способны усваивать моле­кулярный азот воздуха и превращать его в аминокислоты и белки. Эти микроорганизмы, открытые в 1894 г. С. Н. Виноградским, играют большую роль в обогащении почвы азотистыми соединениями, а следовательно, в повышении ее плодо­родия.

Представителями свободноживущих почвенных бактерий, способных ассими­лировать азот воздуха, являются анаэробные бактерии Clostridium и аэробные, принадлежащие к роду Azotobacter. Молекулярный азот воздуха могут также связывать некоторые живущие в почве и водоемах микроскопические водоросли, принадлежащие к группе синезеленых водорослей (цианобактерий). Это, например, доказано для синезеленых водорослей, населяющих рисовые поля. Показано также, что молекулярный азот усваивают фотосинтезирующие бактерии, а также лишайники и некоторые высшие растения, содержащие в качестве симбионтов цианобактерий. Во Вьетнаме и Калифорнии на рисовых полях специально разводят водяной папоротник Azolla, в листьях которого живут усваивающие молекулярный азот цианобактерий. Благодаря этому папоротнику рисовые поля обогащаются азотом, и урожайность риса повышается.

С. Н. Виноградский и С. П. Костычев высказали гипотезу, согласно которой первым продуктом усвоения молекулярного азота бактериями является аммиак, который далее вступает в реакции с различными продуктами превращения угле­водов и дает аминокислоты. Превращение молекулярного азота в аммиак проис­ходит восстановительным путем, по-видимому, через гидразин:

Впервые Карнаану, а затем другим ученым с помощью бесклеточных экстрак­тов из разрушенных клеток Azotobacter, Clostridium, Klebsiella и синезеленых во­дорослей удалось воспроизвести in vitro процесс фиксации азота воздуха и обра­зования из него аммиака.

С глубокой древности известно, что бобовые растения — соя, люцерна, клевер, люпин и т. д. — не нуждаются в азотистых удобрениях и сами обогащают почву азотом. Таким образом, бобовые резко отличаются в этом смысле от всех других растений. Этой способностью они обязаны бактериям, живущим на их корнях в особых желвачках, называемых клубеньками.

Клубеньковые бактерии, будучи выделены из клубеньков в чистую культуру, могут усваивать молекулярный азот лишь тогда, когда в питательной среде при­сутствуют некоторые метаболиты, например арабиноза, или если в питательной среде присутствует культура растительной ткани. Важным условием является также низкая концентрация кислорода.

Развитие клубеньковых бактерий на корнях бобовых растений — пример симбиоза. Бактерии питаются теми органическими веществами, которые достав­ляет им высшее растение, асами снабжают последнее азотистыми соединениями, образующимися в результате связывания молекулярного азота атмосферы.

Большой интерес представляет наличие в клубеньках бобовых растений ве­щества, которое аналогично гемоглобину крови. Как и гемоглобин, это вещество, названное легоглобином, легко присоединяет молекулярный кислород и образует оксилегоглобин: Легоглобин + О₂ Легоглобин О₂ (оксилегоглобин). Это ве­щество играет очень важную роль в обмене веществ клубеньков и клубеньковых бактерий. Оно содержится только лишь в клубеньках растений, зараженных «эффективными» штаммами клубеньковых бактерий.

Обычно клубеньки бобовых содержат около 4% легоглобина на сухое вещест­во. Легоглобин сои состоит из двух основных компонентов, различающихся по скорости движения при электрофорезе, по форме кристаллов и по аминокислот­ному составу. Молекулярная масса быстро движущегося компонента равна 16 000, содержание железа составляет 0,34%; медленно движущийся компонент имеет молекулярную массу 15 400 и содержит 0,29% железа. Процесс фиксации азота клубеньками бобовых растений стимулируется молибденом и кобальтом. Усиление фотосинтеза, например, при повышенной концентрации СО₂ в воздухе также стимулирует у бобовых растений азотфиксацию. Существенным успехом на пути вы­яснения химизма фиксации азота бобовыми растениями явились опыты, в которых удалось показать фиксацию в гомогенатах, полученных путем механического раз­рушения клубеньков. При этом установлено, что азотфиксирующая способность свойственна фракции бактероидов, т. е. клубеньковых бактерий, которые в ре­зультате развития в клетках высшего растения сильно изменили свою физиологию и форму. Вместе с тем эти опыты показали, что легоглобин не принимает непос­редственного участия в процессе фиксации молекулярного азота, а, активно свя­зывая кислород, создает необходимые для фиксации микроаэрофильные условия в клубеньке и вместе с тем транспортирует к бактероидам кислород, необходимый для их дыхания и синтеза АТР.

Из бесклеточных экстрактов, полученных из различных микробов, усваиваю­щих молекулярный азот, выделен ферментный комплекс — нитрогеназа, кото­рый катализирует процесс восстановления азота до аммиака. Нитрогеназа состо­ит из двух белков — белка I (по прежней терминологии азоферредоксина), содержащего негеминовое железо, и белка II (ранее называвшегося молибдоферредоксином), имеющего в своем составе молибден и негеминовое железо. Белок I — димер с молекулярной массой протомера 27 000—30 000. Он содержит четыре ато­ма железа, связанные с четырьмя атомами сульфидной серы. Белок II — тетрамер с молекулярной массой около 220 000, он включает 24 атома железа, 24 атома серы и 2 атома молибдена.

Нитрогеназа катализирует не только восстановление молекулярного азота до аммиака, но и восстановление ряда других субстратов — ацетилена С₂Н_а-до-этилена С₂Н₄, ионов водорода до молекулярного водорода, оксида азота N₂O до Н₂О и N₂, азида натрия NaN₃ до NH₃ и Н₂.

Восстановление ацетилена в этилен с последующим газохроматографическим определением последнего широко используется в настоящее время как быст­рый и весьма чувствительный косвенный метод количественного учета интенсив­ности фиксации азота.

Для осуществления процесса фиксации молекулярного азота необходимы источник энергии в виде АТР и приток электронов. Их источники у разных азотфиксирующих микроорганизмов различны. У анаэробов, подобных Clostridium pasteurianum, это процесс брожения, сопровождающийся фосфорокластическим расщеплением пировиноградной кислоты и образованием ацетилфосфата:

Ацетилфосфат затем отдает заключенную в нем энергию ADP с образованием АТР, используемого в процессе азотфиксации. Источником электронов, необхо­димых для восстановления азота, у анаэробов также служит пировиноградная кислота.

У аэробов, подобных азотобактеру и клубеньковым бактериям, источник АТР и электронов — процесс дыхания, а у фотосинтезирующих азотфиксаторов — процесс фотосинтеза. Перенос электронов от их источника к нитрогеназе у всех азотфиксирующих микробов происходит при участии негеминовых железопротеидов (ферредоксинов). «Топливом», используемым в процессе генерации энергии, необходимой для осуществления азотфиксации, и источником углеродных соеди­нений, связывающих образовавшийся аммиак, служат углеводы и полимеры β-оксимасляной кислоты.

Вместе с тем, как указано выше, нитрогеназа катализирует восстановление гидратированных ионов водорода до молекулярного водорода. Этот последний при участии фермента гидрогеназы поглощается клетками микробов-азотфиксаторов, образуя при окислении АТР, необходимый для процесса азотфиксации

Некоторые штаммы клубеньковых бактерий имеют закодированную в плазмиде очень активную гидрогеназу и поэтому интенсивно окисляют молекулярный водород, образующийся под действием нитрогеназы. Такие штаммы при инокуля­ции бобовых дают гораздо более продуктивные растения, чем обычные штаммы не обладающие или обладающие слабой гидрогеназой.

Образовавшийся при азотфиксации аммиак вступает в реакцию с α-кетоглютаровой кислотой и дает глютаминовую кислоту:

Глютаминовая кислота под влиянием фермента глютаминсинтетазы, связы­вая затем еще одну молекулу аммиака, дает глютамин. Глютамин, в свою очередь взаимодействуя с α-кетоглютаратом под влиянием фермента глютаматсинтазы, образует две молекулы глютаминовой кислоты. Эта реакция и фермент глютаматсинтаза играют важную роль в усвоении аммиака растениями.

При декарбоксилировании, переаминировании и других превращениях глю­таминовая кислота может дать начало γ-аминомасляной кислоте, аспарагину и ряду аминокислот.

В настоящее время выяснена природа ассимилирующих молекулярный азот симбиотических микроорганизмов, развивающихся в корневых клубеньках не­которых кустарников и древесных растений — это актиномицеты.

К числу таких растений принадлежат, например, лох (Eleagnus) и ольха (Alnus). Интересно, что фиксация азота корневыми клубеньками этих растений, так же как и у бобовых, стимулируется кобальтом. Опыты с меченым азотом ¹⁵N показали, что в отличие от Azotobacter, Clostridiam и клубеньков бобовых расте­ний, где первыми продуктами ассимиляции молекулярного азота являются глю­таминовая кислота, глютамин и аспарагин, в клубеньках ольхи меченый азот обнаруживается в первую очередь не только в глюта­миновой кислоте, но и в цитруллине, содержание которого в клубеньках ольхи особенно велико. У сои и вигны важнейши­ми продуктами фиксации азота являются аллатоин и аллантоиновая кислота.

Вопросы для самопроверки

1.Усвоение азота растениями. Окисление его до нитритов и нитратов.

2.Биосинтез аминокислот растениями.

3.Судьба синтезированных аминокислот.

4.Охарактеризуйте реакции переаминирования, дезаминирования и декарбоксилирования.

Грузинов Евгений Владимирович

Евтушенко Анатолий Михайлович

Крашенинникова Ирина Геннадьевна

Якунина Елена Сергеевна

Панов Валерий Петрович

БИОХИМИЯ