6.3.2.3. Поглощение и ассимиляция аммония

Следующий этап ассимиляции азота — собственно реакции превращения аммония в азот органических соединений. Помимо аммония — продукта вос­становления нитрата — растения усваивают NH4, поглощенный из почвы и образующийся эндогенно в реакциях распада азотсодержащих соединений и при фотодыхании (см. гл. 3).

Поглощение аммония высшими растениями обеспечивается двумя различ­ными транспортными системами: высокого и низкого сродства. Транспорт с низким сродством происходит через канал. Система транспорта высокого срод­ства представлена аммонийным транспортером (К_т ~ 10 — 200 мкМ) с низким сродством к калию. Перенос NH осуществляется в антипорте с Н⁺.

Семейство аммонийных транспортеров. У прокариот и эукариот аммоний­ные транспортеры представлены большим семейством АМТ (ammonium tran­sporter family). Все белки АМТ имеют 11 трансмембранных доменов и N-конец, обращенный в экстраклеточный матрикс. Идентифицировано 8 аммо­нийных транспортеров у арабидопсис, а также у других видов, например то­матов.

Усвоение аммония. Независимо от происхождения, NH включается в орга­нические соединения через синтез аминокислот. В процессах усвоения аммо­ния наиболее значимы реакции биосинтеза глутамата и глутамина (рис. 6.43).

Рис. 6.43. Главные пути ассимиляции аммония у растений. Пояснения в тексте

Хронологически раньше было установлено, что усвоение аммония идет через восстановительное аминирование 2-оксоглутаровой кислоты, катали­зируемое глутаматдегидрогеназой (ГДГ), с образованием глутаминовой кис­лоты (Глу):

2-оксоглутаровая + NH₃ + НАД(Ф)Н + Н⁺ ↔ Глутамат + НАД(Ф)⁺ + Н₂0.

Фермент работает в обе стороны, и соотношение аминирующей и дезами-нирующей активности зависит от доступности субстрата и восстановителя. ГДГ обнаружена практически у всех высших растений. В корнях и листьях фермент локализован преимущественно в митохондриях (НАДН-зависимая ГДГ), хотя в листьях обнаруживается хлоропластная (НАДФН-зависимая ГДГ). Первона­чально ГДГ считали главным ферментом ассимиляции аммония, однако его сродство к NH невелико: К_т = 10 — 80 мМ. В норме концентрация аммония в тканях таких значений не достигает. С другой стороны, активность ГДГ увели­чивается при прорастании семян и старении, т.е. в те периоды развития, когда ускорены процессы распада, в том числе аминокислот. Количество мРНК (ГДГ) и активность фермента увеличиваются в темноте при снижении уровня угле­рода. В результате образующийся после дезаминирования α-кетоглутарат до­полнительно включается в цикл Кребса. В целом эти факты свидетельствуют о важной функции ГДГ в катаболизме аминокислот и в реассимиляции больших количеств аммония, образующегося при фотодыхании в митохондриях.

В 1974 г. Р. Ли и Б.Мифлином был описан глутаматсинтазный цикл, кото­рый включает две последовательные сопряженные реакции (рис. 6.44).

Рис. 6.44. ГС/ГОГАТ путь ассимиляции аммония

NH сначала включается в глутамин в реакции, катализируемой глутаминсинтетазой — ГС (ЕС 6.3.1.2). Далее глутаматсинтаза (глутаминоксоглутаратаминотрансфераза — ГОГАТ) катализирует взаимодействие глутамина с 2-оксоглутаровой кислотой. В результате образуются две молекулы глутамата, одна из которых может быть использована в качестве субстрата для ГС, а другая — для

транспорта, запасания или дальнейшей метаболизации. Восстановителями для этой реакции могут быть ферредоксин (Фд_ВОССТ) или НАДФН (Фд-ГОГАТ; ЕС 1.4.7.1 и НАДФН-ГОГАТ; ЕС 1.4.1.14 соответственно). Обе реакции формиру­ют ГС/ГОГАТ-цикл с чистым преобразованием одной молекулы α-кетоглутарата и аммония в одну молекулу глутамата. Этот цикл является важнейшим механизмом первичной и вторичной ассимиляции аммония — «входными во­ротами» для N в азотный метаболизм растений.

ГС представлена двумя изоформами, обнаруженными у большинства видов и отличающимися по субклеточной локализации: цитозольной — ГС1 и пластидной — ГС2 (рис. 6.45). Обе формы кодируются гомологичными, но отдельными ядерными генами. ГС1 и ГС2 по биохимическим характеристикам in vitro зна­чительно не различаются. Сродство ГС к NH очень высокое (К_т = 3 — 5 мкМ). Различия отчетливо проявляются in vivo: ГС2 преобладает в листьях, работая на первичную ассимиляцию и реассимиляцию аммония при фотодыхании.

ГОГАТ также представлена двумя изоформами. Фд-ГОГАТ выявлена исклю­чительно у фотосинтезирующих организмов, НАДФН-ГОГАТ — у растений и бактерий. Последняя иногда более активна в присутствии НАДН, чем НАДФН, и поэтому называется НАДН. Обе формы локализованы в пластидах (рис. 6.46).

Рис. 6.46. Внутриклеточное распределение ферментов ГС/ГОГАТ циклов в корнях и

листьях высших растений