Пути ассимиляции аммиака

Аммиак, поступивший в растение извне, образовавшийся при восстановлении нитратов или в процессе фиксации моле­кулярного азота, далее усваивается растениями с образованием различных аминокислот и амидов. Аммиак может ассимилиро­ваться путем аминирования или амидирования целого ряда сое­динений, однако ведущая роль в процессе первичного связыва­ния аммиака у высших растений принадлежит реакциям биосинтеза глутаминовой кислоты и ее амида — глутамина.

Один из возможных способов ассимиляции аммония в рас­тениях — восстановительное аминирование а-кетоглутаровой кислоты, катализируемое ферментом глутаматдегидрогена-зой (ГДГ) и ведущее к образованию глутаминовой кислоты:

ос-Кетоглутарат -f NH₃ + NAD(P)H + Н⁺ +± L-Глутамат + + NAD(P)⁺ + Н₂0

На первом этапе реакции субстраты соединяются с образо­ванием иминокислоты, которая далее восстанавливается в глу-тамат при участии NAD(P)H. Обе ступени обратимы и могут быть представлены следующим образом:

Н₂0

СООН

соон

I

СН—NH₂ I

СН₂

NADH + Н* СООН jNAD*

Н₂0

C=NH I

СН₂ I

соон

глутамат

сн₂

СН,

I

соон

а - иминоглутарат

Глутаматдегидрогеназа обнаружена практически у всех выс­ших растений. Она присутствует и в листьях, и в корнях, однако в корнях активность этого фермента, как правило, значительно выше. Фермент локализован преимущественно в митохондриях, хотя имеется также в цитозоле и хлоропластах, где его ак­тивность в несколько раз ниже. Полагают, что ГДГ корней и митохондриальная ГДГ NADH-зависимы, тогда как в хлоро­пластах ГДГ специфична к NADPH. Растительные ГДГ имеют M_r ~ 200 — 300 тыс. и состоят из 4 —6 субъединиц. Обнаружено до 13 изоформ ГДГ. Это фермент обратимого действия. Соотношение аминирующей и дезаминирующей активности ГДГ митохондрий сильно зависит от соотношения NAD⁺/ NADH и уровня рН. Оптимум рН для аминирования на 1 — 1,5 единицы ниже, чем для дезаминирования.

Благодаря исследованиям Р. Ли и Б. Мифлина (1974) был открыт основной путь первичной ассимиляции аммония, включающий две последовательные сопряженные реакции, ка­тализируемые ферментами глутаминсинтетазой (ГС) и глута-матсинтазой (ГТС):

Глутамат

дгтс

ги Г

а - Кетоглутарат

АТР

ADP + Р:

Глутамат

_X

Глутамин

Таким образом в клетках образуется не только глута-миновая кислота, но и глутамин:

НООС —СН —СН₂—СН₂—С—NH₂ I II

NH₂

О

Глутаминсинтетаза катализирует реакцию, в которой глу­тамат функционирует как акцептор NH₃ для образования глу-тамина. Для этой реакции требуется АТР. Причем ГС обла­дает гораздо большим сродством к NH₃, чем ГДГ.

Глутаматсинтаза катализирует реакцию переноса амидной группы глутамина на а-кетоглутарат в присутствии восстанови­теля (ферредоксина или NADPH) с образованием двух мо­лекул глутамата.

Двухвалентные катионы металлов (Mg^{2 +} , Мп²⁺ , Со²⁺, Са²⁺) играют ключевую роль в проявлении каталитических свойств ГС. Наивысшая активность ГС наблюдается при использовании Mg²⁺ в качестве кофактора. Работами В. Л. Кретовича с сотрудниками установлено, что ГС из листьев гороха и тыквы имеетЛ/_г в пределах 370 — 520 тыс. Фермент обнаружен во всех органах растений. В листьях фермент локализован преиму­щественно в цитозоле, хотя может находиться в хлоро­пластах. В корнях высших растений ГС найдена в цитозоле. Вопрос о возможности ее локализации в митохондриях не выяснен.

Глутаматсинтаза обнаружена в листьях и корнях высших растений. В корнях этот фермент NADPH-зависим, в листьях донором электронов для ГТС служит ферредоксин. М_г фер­мента 145—180 тыс. В зеленых частях растения глутамат­синтаза локализована преимущественно в хлоропластах.

Путь ассимиляции аммиака, катализируемый системой глу­таминсинтетаза—глутаматсинтаза, считается основным путем связывания NH₃, образующегося в хлоропласте в результате редукции нитратов. Оба пути первичной ассимиляции NH₃ с участием ГДГ или ГС —ГТС, как можно видеть из приведен­ных уравнений реакций, в конечном счете ведут к накоп­лению глутамата. Полагают, что ГДГ более активна у расте­ний в темноте и в условиях аммонийного питания, тогда как ГС —ГТС —на свету и при питании нитратами.

Помимо а-кетоглутаровой кислоты, играющей основную роль в первичном связывании аммиака, роль акцепторов ам­миака в растениях могут выполнять и другие органические кето- и альдегидокислоты, которые с помощью соответст­вующих ферментов взаимодействуют с NH₃ с образованием так называемых первичных аминокислот. Они же

гпгужят якттеп оппм яминньтх rnvnn r пявпгичньтх пряк1тиях

< I) -Ml

( < v. Hi

переаминирования. К числу этих органических кислот от­носятся щавелевоуксусная, пировиноградная, гидроксипи-ровиноградная, глиоксиловая и ряд других, в процессе вос­становительного аминирования которых получаются соответ­ственно аспарагиновая кислота, аланин, серии, глицин.

Аминная группа глутамата может быть перенесена на дру­гие кетокислоты в процессе трансаминирования, ко­торый был открыт в 1937 г. советскими биохимиками А. Е. Браунштейном и М. Г. Крицман. Энзимы, катализи­рующие эту реакцию, получили название аминотрансфераз. В качестве примера рассмотрим перенос NH₂-rpynnbi глутамата на пировиноградную кислоту с образованием аланина: