Материал: Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

ГЛАВА 13

МЕТАБОЛИЗМ АЗОТА И АМИНОКИСЛОТ

Растения, в отличие от животных, способны синтезировать весь спектр аминокислот, которые необходимы для их жизнедеятельности. Поставщиками азота для аминокислот служат аммиак NH3 и нитраты NO3–. При этом аммиак ядовит для растений и поэтому не накапливается в растительных тканях в высоких концентрациях в виде аммонийных солей NH4+, а сразу используется в процессах синтеза аминокислот R–CH(NH2)COOH. Нитраты также не способны накапливаться в больших количествах в клетках растений и поэтому они прежде всего подвергаются восстановлению до нитритов NO2 — и затем в аммиак. Эти реакции протекают при участии специализированных ферментов — металлофлавопротеинов.

Последовательное превращение нитратов до нитритов и аммиака является универсальным процессом, так как может происходить даже в зеленых растениях, способных к фотосинтезу, но выращенных в темноте (так называемых этиолированных растениях), а также у грибов и бактерий.

13.1. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ АЗОТФИКСАЦИИ

Процесс, протекающий в живых организмах (микроорганизмах), происходящий за счет энергии, выделяющейся в результате химических реакций окисления неорганических соединений (сероводорода, серы, водорода, аммиака, азотистой кислоты, оксидов железа и марганца), использующий эту энергию для усвоения СО2 и синтеза из него органических веществ, называется хемосинтез. Процесс был впервые открыт русским микробиологом С.Н. Виноградским, который установил, что синтез органических веществ может происходить не только в зеленых растениях, но и у микроорганизмов.

В жизнедеятельности растений важную роль играют нитрифицирующие бактерии, синтезирующие органические соединения путем окисле-

208

13.1. Молекулярные механизмы азотфиксации

ния аммиака и азотистой кислоты. Они широко распространены в почве и различных водоемах, обеспечивая круговорот азота в природе. Нитрифицирующие бактерии могут жить при полном отсутствии органических соединений. Однако питательный субстрат для их жизнедеятельности поставляют бактерии и плесневые грибы, разлагающие белки, содержащиеся в остатках животных и растений, с образованием аммиака.

В результате реакции окисления аммиака нитрифицирующими бактериями происходит образование азотистой кислоты:

2NH3 + 3O2 → 2HNO2 + 2H2O

В дальнейшем азотистая кислота окисляется этими бактериями до азотной кислоты:

2HNO2 + O2 → 2HNO3

Процесс нитрификации происходит в значительных масштабах, обеспечивая накопление нитратов в почве и в водоемах, способствуя повышению плодородия почвы. Кроме того, в почве широко распространены бактерии, окисляющие водород, который образуется при анаэробном разложении органических соединений микроорганизмами почвы. (Эти бактерии способны развиваться на растворах органических веществ.)

2Н2 + O2 → 2H2O

Хемосинтезирующие бактерии способны в метаболических процессах присоединять СО2 к рибулозо-1,5-дифосфату, обеспечивая синтез различных органических соединений. Хемосинтезирующие серобактерии

вреакциях окисления серы способны накапливать АТФ и полифосфаты. Таким образом, хемосинтезирующие организмы используют энергию, выделяющуюся при окислении неорганических соединений, на восстанов-

ление ассимилируемого СО2 и на синтез органических веществ, а также для синтеза высокоэнергетических соединений.

Гетеротрофный тип фиксации СО2 проявляется у корней высших растений. В этом процессе участвует пируваткарбоксилаза, которая при-

соединяет СО2 к пировиноградной кислоте с образованием щавелевоуксусной кислоты. Последняя в дальнейшем может быть использована

вреакциях синтеза глюкозы или в цикле трикарбоновых кислот, превращаясь в яблочную, лимонную и другие органические кислоты.

Активно утилизируют СО2 клубеньки азотфиксирующих растений (люпина, гороха, фасоли, сои и ольхи), использующих для этого фосфо-

енолпируваткарбоксилазу. Таким образом, растения за счет СО2 почвы обеспечивают себя дополнительным источником углеродного питания, повышая свою жизнеспособность в данных климатических условиях обитания.

209

Глава 13. Метаболизм азота и аминокислот

13.2. РЕАКЦИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НИТРАТОВ

Растения не обладают способностью усваивать атмосферный азот N2, но активно ассимилируют аммонийную форму азота NH3, которая поступает из почвы или образуется в результате восстановления нитратов. Эти процессы протекают в течение всего вегетационного периода. Основными соединениями для биосинтеза азотсодержащих органических соединений растений является аммиак. Реакции катализируют ферменты нитратредуктаза и нитритредуктаза.

Вначале при участии нитратредуктазы нитраты восстанавливаются до нитритов. Донором протонов и электронов в этой реакции служит НАДН или НАДФН:

HNO3 + НАДН + Н+ → HNO2 + НАД+ + Н2О

Затем при участии нитритредуктазы нитриты превращаются в аммиак. При этом реакция протекает в присутствии НАДН или НАДФН:

HNO2 + 2НАДН + 2Н+ → NН3 + 2НАД+ + 2Н2О

Восстановление нитрита до аммиака происходит посредством образования NOН и гидроксиламина NH2OН. При этом донором электронов служит ферредоксин по следующей схеме:

13.3. РЕАКЦИИ АССИМИЛЯЦИИ АММИАКА

Образовавшийся аммиак чаще всего реагирует с кетокислотами. Реакцию катализирует глутаматдегидрогеназа. В результате реакции восстановительного аминирования происходит присоединение азота аммиака к кетокислоте с образованием аминокислоты. В реакции участвует НАДН или НАДФН.

HOOC–CH2–CH2–C–COOH + NН3 + НАДН ←→ HOOC–CH2–CH2–CH–COOH + НАД+ + Н2О

В реакциях аминирования кетокислот участвуют несколько ферментов, но все они относятся к дегидрогеназам, т. е. к классу ферментов, катализирующих реакции дегидрирования в присутствии коферментов НАД+/ НАДН или НАДФ+/НАДФН.

210

13.3. Реакции ассимиляции аммиака

Кроме того, при участии аспартат-аммиак-лиазы происходит присоединение аммиака к фумаровой кислоте:

HOOC–CH=CH–COOH + NH3 ←→ HOOC–CH2–CH–COOH

Другой фермент — аланиндегидрогеназа катализирует реакцию аминирования.

CH3–C–COOH + NH3 + НАДН ←→ CH3–CH–COOH + НАД+ + Н2О

Дегидрогеназа L-аминокислот участвует в реакциях аминирования алифатических аминокислот.

R–C–COOH + NH3 + НАДН ←→ R–CH–COOH + НАД+ + Н2О

Кроме того, реакции восстановительного аминирования протекают при участии глутаматсинтазы, которая катализирует реакцию взаимодействия кетоглутаровой кислоты с глутамином с образованием двух молекул глутаминовой кислоты. В реакции участвует НАДН или НАДФН.

Реакции с участием глутаматсинтазы являются основными, обеспечивающими включение аммиачного азота в состав аминокислот.

Высокие концентрации NH3 токсичны для растений. Поэтому в растительных клетках работает группа ферментов, нейтрализующая действие аммиака при его избыточном накоплении. Одним из возможных способов является обезвреживание аммиака в реакциях аминирования аспарагиновой и глутаминовой кислот. Так, аспарагинсинтаза осуществляет включение аммиачного азота в состав аспарагиновой кислоты с образованием аспарагина. В реакции расходуется АТФ.

211

Глава 13. Метаболизм азота и аминокислот

У некоторых растений (арахис, горох, бобы, хмель, лилейные) аммиак включается в состав амида — γ-метиленглутамина.

CH2

O=C–C–CH2–CH–COOH

NH2 NH2 γ-Метиленглутамин

Кроме того, в растениях аммиак может обезвреживаться за счет образования аммонийных солей органических кислот (яблочная, щавелевая, лимонная и др.):

13.4. СИНТЕЗ МОЧЕВИНЫ

Обезвреживание аммиака может происходить и за счет реакций, в результате которых образуется мочевина. Она не ядовита для растений и способна легко проникать через корни. Поэтому мочевина активно используется в качестве подкормки. Разложение мочевины в растительных тканях протекает при участии уреазы.

C–NH2

C=O + H2O → CO2 + 2NH3

C–NH2

Синтез мочевины в клетках растений происходит в циклическом процессе (рис. 13.1). Продуктами цикла являются карбамоилфосфат, цитруллин, аргининосукцинат, аргинин, мочевина и орнитин. Основной стадией орнитинового цикла является реакция образования карбамоилфосфата.

Наибольшее значение в синтезе карбамоилфосфата имеет реакция, катализируемая карбамоилфосфатсинтетазой, которая является лимитирующей в процессах синтеза мочевины.

212