- •6.3. Включение в обмен веществ и функции элементов минерального питания
- •6.3.1. Фосфор 6.3.1.1. Характерные особенности фосфорного питания
- •6.3.1.2. Основные типы фосфорсодержащих соединений
- •6.3.1.3. Транспорт фосфата через мембраны
- •6.3.1.4. Метаболизм фосфата
- •6.3.1.5. Ответные реакции растительного организма на дефицит фосфата
- •6.3.2. Азот
- •6.3.2.1. Формы азота, используемые растением
- •6.3.2.2. Поглощение и усвоение нитрата
- •6.3.2.3. Поглощение и ассимиляция аммония
- •6.3.2.4. Интеграция азотного метаболизма на уровне целого растения
- •6.3.3. Сера
- •6.3.3.1. Серосодержащие органические соединения
- •6.3.3.2. Поглощение и транспорт сульфата
- •6.3.3.3. Ассимиляторное восстановление сульфата
- •6.3.3.4. Глутатион и его производные
- •6.3.4. Кальций
- •6.3.4.2. Системы транспорта кальция
- •6.3.5. Калий
- •6.3.5.1. Системы транспорта к и их характеристика
- •6.3.5.2. Регуляция мембранного потенциала
- •6.3.5.3. Регуляция активности ферментов и синтез белка
- •6.3.5.4. Осморегуляция и катионно-анионный баланс
- •6.3.6. Движения устьиц: транспорт ионов и регуляция
- •6.3.6.1. Открывание устьиц
- •6.3.6.2. Закрывание устьиц
- •6.3.7. Хлор
- •6.3.8. Магний
- •6.3.9. Железо
- •6.3.10. Медь
- •6.3.11. Марганец
- •6.3.12. Молибден
- •6.3.13. Цинк
6.3.2. Азот
6.3.2.1. Формы азота, используемые растением
В среде обитания растений азот представлен в виде газообразного азота атмосферы N2 (-78 %) и в составе органических и неорганических соединений в почве, пресной и морской воде (см. рис. 6.1). Растениям недоступны напрямую огромный запас азота в воздухе и органический азот почвы, на долю которого приходится 99 % общего азота почвы. Они поглощают азот из почвы в виде минеральных ионов нитрата и аммония.
Азот почвы происходит из атмосферы в результате процессов химической и биологической азотфиксации. Биологическая азотфиксация — уникальная способность некоторых прокариот (цианобактерий, актиномицетов, зеленых серных бактерий, бактерий родов Azotobacter и Clostridium и др.) восстанавливать N2 до NH4 при обычных температуре и давлении. Органический азот почвы может быть превращен в NH| в процессе аммонификации — разложения органического вещества гетеротрофными бактериями. Пополнение пула нитратного азота почвы обеспечивают бактерии нитрификаторы, которые используют для жизнедеятельности энергию окисления аммония до нитрата. Процессы денитрификации, осуществляемые анаэробными микроорганизмами, приводят к потерям почвенного минерального азота и его переходу в атмосферный N2 (см. рис. 6.1).
Биологическая азотфиксация вносит наиболее значительный вклад в круговорот азота в биосфере. Азотфиксирующие организмы можно разделить на две
группы: свободноживущие и симбиотические формы. Существует три основных типа азотфиксирующих симбиозов микроорганизмов с растениями: ризобий с большой группой бобовых растений (Fabaceae), цианобактерий с голосеменными и актиномицетов с небобовыми покрытосеменными растениями. Бобовые — самая большая группа растений, образующих «товарищество» с бактериями-азотфиксаторами рода Rhizobium. В симбиотические отношения вступают арахис (Arachis hypogaea), маш (Vigna radiatd), соя (Glycine max), чечевица (Lens culinaris), горох (Pisum sativum), фасоль (Phaseolus vulgaris), люцерна (Medicago sativa), клевер (Trifolium acer), люпин (Lupinus), бобы (Vicia faba) и другие. Растение-хозяин снабжает бактерии углеводными компонентами и получает зафиксированный атмосферный N2 в виде аминокислот, амидов или уреидов.
6.3.2.2. Поглощение и усвоение нитрата
Нитрат
считают основным источником минерального
азота для растений, хотя для его усвоения
необходимо высокое содержание углеводов
и большие запасы энергии. На хорошо
аэрируемых не очень кислых почвах
большая часть минерального азота
представлена именно нитратом, который
находится в водной фазе. Анион легко
перемещается с током воды в почве.
Особенно быстро происходит его вымывание
из поверхностного слоя, в котором
расположены корни растений. В силу
высокой подвижности концентрация NO
в почвенном растворе изменяется в
широких пределах: от 5 мкМ до 2 мМ и выше
и во многом зависит от климатических
факторов.
Усвоение нитрата — сложно организованная система последовательных биохимических и физиологических процессов, включающая поступление аниона в корень, его восстановление и накопление в корнях, радиальный транспорт, загрузку NO в сосуды ксилемы и транслокацию в надземные органы, восстановление и накопление нитрата в листьях (рис. 6.37).
Рис 6.37. Общая схема поступления и усвоения нитрата в растении
У некоторых растений доля нитрата, транспортируемого в побег, достигает 80 — 90 %. Из листьев же в корни NO не перемещается. Азот нитрата, восстановленный в корнях, в виде аминокислот, амидов или уреидов поступает в побеги. На уровне целого растения происходит довольнаинтенсивный круговорот аминокислот и амидов между надземными органами и корнями. Содержание N в ксилеме достигает 0,01 — 0,21 % (масса/объем), во флоэме оно в 10 — 20 раз ниже.
Усвоение нитрата генетически детерминировано, что выражается в видовой и сортовой специфике поглощения NOJ, распределения по органам, восстановления и накопления. Накопление нитрата в тканях, достигающее при определенных условиях высоких значений, — одна из особенностей азотного обмена растений. С одной стороны, в условиях возникшего азотного дефицита накопленный ранее NO3 служит эндогенным источником N для новых азот-потребляющих синтезов. С другой стороны, нитрат, местом накопления которого служит вакуоль, выполняет осморегуляторную функцию.
Поглощение нитрата. Механизмы транспорта через плазмалемму. Движущей силой транспорта через плазмалемму является протонный градиент. Это вторичный активный транспорт в симпорте с протоном.
Кинетически в растительной клетке идентифицированы две системы транспорта NO : 1) высокого сродства — HATS (high-affinity transport system), или механизм I, 2) низкого сродства — LATS (low-affinity transport system), или механизм П.
Работа HATS описывается кинетической кривой Михаэлиса—Ментен: скорость поглощения нитрата достигает насыщения при концентрациях 0,2 — 0,5 мМ NO ; Кт обычно колеблется в диапазоне от 10 до 100 мкМ. Система транспорта высокого сродства может быть конститутивной, которая индуцируется в отсутствие нитрата, и индуцибельной, индуцируемой нитратом.
Поглощение нитрата через LATS наблюдается при концентрациях NO выше 0,5 мМ и не достигает насыщения. Считается, что система транспорта нитрата низкого сродства является конститутивной, однако последние работы с мутантными формами Arabidopsis выявили индуцируемую нитратом форму LATS.
Идентифицированы два семейства мембранных белков, которые могут осуществлять активный транспорт нитрата через плазмалемму в симпорте с протоном: нитрат-нитритные портеры — NNP (nitrate-nitrite porters) и пептидные транспортеры — PTR (peptide transporter). Оба семейства представлены у прокариот и эукариот и относятся к главному суперсемейству транспортных белков MFS. К нему же относятся и фосфатные транспортеры, о которых речь шла выше (см. подразд. 6.3.1.3).
Методами молекулярной биологии были идентифицированы два семейства генов: NRT1 (nitrate reductase transporter) — кодируют переносчики с двойственными свойствами (с высокими и низким Кт), или переносчики низкого сродства, и NRT2 — кодируют индуцируемые переносчики NO высокого сродства.
При изучении и описании поглощения нитрата растениями обязательно следует принимать во внимание, что это результат двух разнонаправленных потоков: входа (influx) и выхода (efflux). Транспортная система выхода нитрата индуцируется самим нитратом и стимулируется аммонием. Однако, в отличие от индуцируемых систем транспорта входа, система выхода, будучи индуцированной один раз, остается стабильной в присутствии ингибиторов РНК и синтеза белка в период до тех пор, пока нитрат и нитрит имеются в наличии в цитозоле. Возможно, это белок с большим периодом полуобновления, который работает как селективный канал. Транспортная система оттока кинетически описывается кривой насыщения с Кт = 5 мМ, что близко к значениям концентрации нитрата в цитозоле.
Транспорт нитрата через мембраны может быть важным звеном в регуляции усвоения нитрата в растении. На уровне плазмалеммы контролируется поглощение нитрата из среды, на уровне тонопласта — накопление и ремобилизация запасенного ранее NO , на уровне транспорта через мембрану ЭР — симпластный транспорт на средние расстояния и, наконец, выход нитрата из клеток стелярной паренхимы определяет загрузку ксилемы — наименее изученный транспортный поток нитрата.
Накопление и компартментация нитрата в растительных тканях. Накопленный в растительных тканях нитрат асимметрично распределен между двумя основными клеточными компартментами: цитозолем и вакуолью (рис. 6.38). По мере накопления сперва заполняется доступный для восстановления метаболический пул (МП) в цитозоле, затем формируется запасной, или вакуолярный, пул (ЗП). Различия по содержанию нитрата (мкМ NO /г сырой массы) у растений, выращенных при разной его доступности, связаны в первую очередь с размерами ЗП. Однако на уровне клетки нитрат еще и перемещается по симпласту. Поэтому более достоверно компартментацию нитрата отражает трехкомпартментная модель, которая учитывает, наряду с метаболическим и запасным, подвижный пул (ПП) нитрата (рис. 6.38).
Рис. 6.38. Схема компартментации нитрата на уровне клетки:
МП — метаболический пул; ЗП — запасной пул; ПП — подвижный пул нитрата;
HP — нитратредуктаза
Восстановление нитрата. Характеристика нитратредуктазы. Восстановление нитрата в растениях (а также в водорослях, грибах и микроорганизмах) осуществляется в две стадии: первая — двухэлектронное восстановление нитрата до нитрита, катализируемое нитратредуктазой (HP), вторая — шестиэлектронное восстановление нитрита до аммония, катализируемое нитритредуктазой (НиР). Далее аммоний включается в состав аминокислот в реакциях первичного аминирования и амидирования:
Первая реакция самая медленная и лимитирует весь процесс в целом. Нитрит и аммоний токсичны для растения и в норме не накапливаются. Их концентрации в листьях составляют ~15 нМ и ~10 мкМ на 1 г сырой массы соответственно.
По структуре HP (ЕС 1.6.6.1) — металлофлавопротеин, образующий гомодимеры с молекулярной массой 100 кДа, и гомотетрамеры. Каждая субъединица состоит примерно из 1000 аминокислот и включает три кофактора: ФАД, гем-Fe (цитохром b5) и молибдоптерин, которые обеспечивают передачу электронов от НАДН на NO (рис. 6.39). Их окислительно-восстановительные потенциалы (Е°') соответственно равны -272, -160 и -10 мВ. Фермент имеет центры связывания с НАДН и нитратом. Большинство форм HP у растений используют в качестве восстановителя НАДН, но некоторые (соя, кукуруза, ячмень, рис) биспецифичны и связываются либо с НАДН, либо НАДФН. Электроны от восстановителя передаются на ФАД, затем через геминовое железо на молибден и далее на нитрат (рис. 6.39).
Рис. 6.39. Функциональная модель мономера HP
HP локализована в цитозоле. У большинства видов она обнаружена как в корнях, так и в листьях. У клюквы, белого клевера, цикория HP локализована только в корнях, а у Cocklebur— исключительно в листьях. На схеме (рис. 6.40) представлены данные по распределению ассимиляции нитрата между корнями и листьями у разных видов растений.
Рис. 6.40. Вклад корней и листьев в усвоение нитрата у разных видов растений
В корнях при низких экзогенных концентрациях нитрата HP обнаруживается в эпидермальных и кортикальных клетках ближе к поверхности корня. При высоких концентрациях NO в среде HP есть во всех клетках коры и стели. В листьях С4-растений HP локализована в клетках мезофилла, но не в клетках обкладки, так как хлоропласты мезофилла в большей степени продуцируют восстановитель при нециклическом фотосинтетическом транспорте электронов.
Регуляция активности HP. Регуляция активности HP может осуществляться на стадии транскрипции, трансляции и на пост-трансляционном уровне.
Транскрипционный
уровень. HP
—
фермент, индуцируемый субстратом, со
временем полуобновления t
~
4—5 ч. Индукция нитратом зависит от
конститутивного «нитрат-сенсорного»
белка неизвестной природы, который
предположительно связывается с
регуляторной областью гена HP.
Регуляторная последовательность,
или «нитратный бокс», в промоторе HP
идентифицирована. В ответ на поступление
нитрата уровень мРНК (HP)
быстро увеличивается в течение минут
и достигает стационарного состояния в
течение нескольких часов. Чувствительность
индукционной системы регуляции: 50 мкМ
NO
в течение 10 мин. Изменения в уровне
мРНК (HP)
наблюдаются в ответ и на другие сигналы:
свет, углеводы (сахароза), глутамин.
Действие света опосредовано через
фитохром. Наиболее четко индукция HP
светом проявляется у этиолированных
проростков. В темноте накопление Сахаров
коррелирует с повышением уровня мРНК
(HP).
Увеличению концентрации Глу—NH2
соответствует снижение количества
транскриптов HP.
У растений в стационарном состоянии с
индуцированной HP
количество мРНК демонстрирует суточную
периодичность с максимумом в
предрассветные часы. Возможно, в
промоторной области гена HP
есть места связывания с разными
регуляторными белками, воспринимающими
свет, концентрацию Глу—NH2,
водный и углеродный статус, скорость
фотосинтеза и другие лимитирующие
условия, которые модулируют восстановление
нитрата на транскрипционном уровне.
Этап трансляции генетической информации также может быть местом регуляции ассимиляции нитрата, но этот вопрос изучен недостаточно.
Пост-трансляционный уровень. Потенциальная активность HP зависит от: 1) количества функционально активного белка HP; 2) уровня активности белка HP и 3) доступности субстратов в цитозоле.
Доступность отдельных структурных компонентов не лимитирует количество функционально активного белка HP. Однако у растений в условиях оптимального роста и достаточного снабжения нитратом потенциальная возможность его восстановления (количество функционально активного белка, активность HP in vitro) больше, чем реальная активность HP (in vivo).
В основе механизма управления активностью фермента лежит процесс быстрой и обратимой инактивации HP, который происходит в два этапа (рис. 6.41): первый — фосфорилирование активной HP Са2+-зависимой протеинкиназой по серину «первой петли»; второй — связывание 14-3-3-белка с фосфорилированной HP и переход HP в неактивное состояние. На втором этапе необходимо наличие ионов Mg2+ или Са2+. Сродство фермента к субстратам в неактивном состоянии не меняется, но блокируется поток электронов от гема на молибдоптериновый домен фермента.
Регуляция на уровне транскрипции и обратимая инактивация фермента совместно позволяют растениям точно настраивать интенсивность ассимиляции нитрата в соответствии с конкретным состоянием. Например, транскрипция HP в фотосинтезирующих тканях подчиняется циркадному ритму. Гены HP наиболее интенсивно транскрибируются в предрассветные часы, но синтезируемый белок HP в это время обратимо ингибируется темнотой и низкой доступностью СО2.
Метаболитная регуляция на пост-трансляционном уровне определяется содержанием свободного Глу—NH2 и отношением Глу—NH2/Глу. Когда уровень Глу—NH2 низкий и нитрат доступен, скорость восстановления нитрата возрастает, в то время как высокий уровень Глу—NH2 тормозит его восстановление. Предполагается, что регуляторная область связывания Глу—NH2 расположена на N-конце фермента. У трансгенных растений с конститутивно экспрессированной мРНК (HP) и белком, у которого пост-трансляционный контроль потерян в результате делеции N-конца, регуляторная роль Глу—NH2 утрачивается и восстановление контролируется только доступностью НАДН.
Рис. 6.41. Регуляция активности нитрат-редуктазы (HP) путем фосфорилирования и последующим связыванием с белком 14-3-4: ПК — протеинкиназа; ПФ — пирофосфатаза
Нитритредуктаза.
Нитрит, образующийся при восстановлении
нитрата, транспортируется в хлоропласты
или пластиды в нефотосинтезирующих
тканях, где восстанавливается до
аммония. Нитритредуктаза (НиР) (ЕС
1.7.7.1), катализирующая эту реакцию,
использует в качестве донора 6е
восстановленный ферредоксин:
NO
+ 6ФдВ0ССТ
+ 8Н+
→
NH4+
+ 6Фд0К
+ 2Н2О
В хлоропластах восстановление нитрита через ферредоксин обеспечивается за счет нециклического потока электронов в ЭТЦ фотосинтеза, в нефотосинтетических тканях — за счет НАДФН из окислительного пентозофосфатного пути при участии
ферредоксин-НАДФ+-редуктазы:
НАДФН + 2Фдок(Fе3+) → НАДФ+ + 2Фдвосст(Fе2+) + Н+
НиР — мономер с молекулярной массой 60 — 70 кДа, состоит из двух доменов и кофакторов, которые передают электроны от ферредоксина на нитрит. Ферредоксин связывается с N-терми-нальной последовательностью белковой молекулы. На второй половине белка на С-конце локализовано место связывания с нитритом. Это два железосерных центра [4Fe—4S] и сирогем (рис. 6.42).
Рис. 6.42. Функциональная модель нитритредуктазы
Активность НиР на порядок выше активности HP, поэтому нитрит в обычных условиях не накапливается и скорость ассимиляции нитрата лимитирует первая реакция. НиР, так же как и HP, индуцируется нитратом (а не нитритом) и светом.
