Ассимиляция нитратного азота

Азот входит в состав органических соединений только в восстановленной форме. Поэтому включение нитратов в обмен веществ начинается с их восстановления, которое может осуществляться и в корнях, и в листьях. Относительная доля участия этих органов в первичной ассимиляции нитратов является видовым признаком. В связи с этим выделяют три основные группы растений:

1. Растения, практически полностью восстанавливающие нитраты в корнях и транспортирующие азот к листьям в органической форме. К этой группе относятся горох, люпин, черника‚ многие древесные растения.

2. Растения, практически не проявляющие нитратредуктазной активности в корнях и ассимилирующие подаваемые с пасокой нитраты в листьях. Это бурачник, дурнишник‚ сахарная свекла, хлопчатник.

3. Растения, способные восстанавливать нитраты как в корнях, так и в листьях. Это наиболее многочисленная группа, включающая хлебные злаки: кукурузу, фасоль, сорго, овощные культуры. У них, как правило, восстановление нитратов активнее протекает в листьях, однако доля участия разных органов сильно варьирует в зависимости от обеспеченности растений нитратами, концентрации в среде и интенсивности поглощения ионов аммония и калия, уровня освещенности, температуры и других факторов.

По современным представлениям, восстановление нитрата осуществляется в два этапа.

1. Восстановление нитрата до нитрита, сопряженное с переносом двух электронов и катализируемое ферментом нитратредуктазой (НР):

                 

NO₃^-                          NO₂^-

 

2. Восстановление нитрита до аммиака путем переноса шести электронов и катализируемое ферментом нитритредуктазой (НиР):

                   

NO₂^-                         NH₄⁺

 

Нитратредуктаза представляет собой гем- и молибденсодержащий флавопротеин, участвующий в переносе электрона от НАДН к NO₃^-

Восстановление нитратов до нитритов происходит в цитозоле клеток корня и листа. Не исключается возможность локализации нитратредуктазы на плазмалемме и на мембранах органелл, граничащих с растворимой фазой клетки. Но эти ассоциации фермента с мембранами удерживаются слабыми связями и легко разрушаются при выделении органелл.

Вторая стадия восстановления минерального азота осуществляется при участии фермента нитритредуктазы. Это относительно низкомолекулярный белок, включающий около 600 аминокислотных остатков, который содержит железопорфириновую простетическую группу и железо в виде кластера 4Fe4S.

В листьях нитритредуктаза локализована в хлоропластах и в качестве донора электронов использует восстановленный в световой фазе фотосинтеза ферридоксин (Фд). В корнях NO₂^- восстанавливается в пропластидах с использованием НАДФН, образующегося в пентозофосфатном пути дыхания.

Использование разных источников восстановителя приводит к существенной разнице в энергозатратах на превращение нитрата в аммоний в надземных и подземных органах. Если привести затраты к одному эквиваленту, то в листьях на восстановление 14 г азота нитрата расходуется 15 г глюкозы, а в корнях — 60 г, т. е. в 4 раза больше. Но преимущества перед корнями в энергетических расходах листья имеют только на свету.

 

Ассимиляция аммиака

Аммиак, образовавшийся при восстановлении нитратов или молекулярного азота, а также поступивший в растение при аммонийном питании, далее усваивается в результате восстановительного аминирования кетокислот, поставляемых дыханием. При аминировании α-кетоглутарата, катализируемого глутамат— дегидрогеназой (ГдГ), образуется глутамат.

Подобным способом происходит аминирование ЩУК под действием аспартатдегидрогеназы‚ которое ведет к синтезу аспартата.

В результате восстановительного аминирования пирувата при участии аланиндегидрогеназы образуется аланин.

Однако использование высокочувствительных методов определения активности ферментов показало, что эти ферменты не столь активны, чтобы внести существенный вклад в общий процесс ассимиляции аммиака у растений. В начале 70-х годов был открыт основной путь первичной ассимиляции аммония, включающий две последовательные сопряженные реакции, катализируемые ферментами глутаминсинтетазой (ГС) и глутаматсинтетазой (ГТС).

Механизм реакции включает перенос амидной группы глутамина на α-кетоглутарат в присутствии восстановителя, в результате чего происходит образование двух молекул глутамата. Глутаминсинтетаза (ГС) катализирует реакцию, в которой глутамат функционирует как акцептор NH₃ для образования глутамина. Для этой реакции требуется АТФ. Причем ГС обладает гораздо большим сродством к NH₃ чем глутаматдегидрогеназа (ГдГ). В настоящее время ГС — ГТС-путь считается главным в ассимиляции аммиака, образующегося в хлоропласте в результате восстановления нитратов. ГдГ имеет преимущества в темноте и в условиях аммонийного питания растений. Функционируют обе системы как в листьях, так и в корнях.

Более простым способом связывания аммиака является образование аммонийных солей органических кислот. У растений с кислым клеточным соком (щавель, бегония, осоки, хвощи) содержание аммонийного азота в десятки раз превосходит содержание амидного азота.

Аммиак в растениях обезвреживается и при образовании мочевины (орнитиновый цикл). Исходным продуктом для синтеза мочевины служит аминокислота орнитин, которая, присоединяя аммиак и углекислоту, превращается в цитруллин. Цитруллин присоединяет еще одну молекулу аммиака и образует аргинин. Аргинин под действием фермента аргиназы с участием воды расщепляется на орнитин и мочевину.

Мочевина неядовита для растений, хорошо усваивается, использование ее азота для всевозможных синтетических процессов происходит очень легко, так как в растительных тканях имеется фермент уреаза, катализирующий расщепление мочевины на углекислый газ и аммиак:

 

CO(NH₂)₂ + H₂O                          CO₂ + 2NH₃

 

Но надо иметь в виду, что орнитиновый цикл не всегда идет до образования мочевины. В ряде случаев в растениях может наблюдаться накопление большого количества аргинина. Установлено, что аргинин, который содержит 32 % азота, т. е. больше любой другой аминокислоты, наряду с амидами является соединением, в виде которого связывается избыток аммиака, поступающего в растение и не используемого для биосинтеза белков.