ASYMILACJA AZOTU PRZEZ ROŚLINY

BAKTERIE WOLNOŻYJĄCE

• Clostridum

• Bakterie anaerobowe, szeroko rozpowszechnione w glebach.

Wysoka odporność na niesprzyjające warunki zewnętrzne.
Szybki wzrost

• Azotobacter

• Typowy przedstawiciel bakterii wiążących azot. Szeroko

rozpowszechniony w zbiornikach wodnych i glebach. Wysoka
intensywność oddychania i intensywność wiązania azotu, ok. 1
g/m

2

w ciągu roku.

• Anaeroby fakultatywne

• Znaczenie we wzbogaceniu gleby w azot nie w pełni

wyjaśnione

• Nostocaceae, Scytonemataceae, Rivulariaceae,

Microchaetaceae (sinice)

• Ważna funkcja gospodarcza na polach ryżowych

BAKTERIE SYMBIOTYCZNE

• Większość bakterii

symbiotycznych (Rhizobium)
wykazuje zdolność do
wiązania azotu
atmosferycznego w symbiozie
z roślinami wyższymi

• Proces wiązania azotu

odbywa się w bakteroidach
brodawek

• Występująca w brodawkach

leghemoglobina

odgrywa rolę

czynnika regulującego dostęp
tlenu do bakteroidów

• Nitrogenaza

jest

odpowiedzialna za wiązanie i
redukcję azotu

NITROGENAZA

TRANSPORT ELEKTRONÓW DO NITROGENAZY

TRANSPORT ELEKTRONÓW DO NITROGENAZY

Accumulati
on of

electrons

NITROGENAZA

• U wszystkich

organizmów wiążących
azot pierwotnym
stabilnym produktem
jest amoniak

• Amoniak jest

przekazywany tkankom
brodawki i w nich
wykorzystywany na
drodze aminowania
ketokwasów

TRANSPORT AMINOKWASÓW

• Amoniak produkowany

przez bakteroidy jest
głównie wykorzystywany w
syntezie kwasu
glutaminowego w
obecności dehydrogenazy
glutaminianowej oraz w
syntezie glutaminy
katalizowanej przez
syntetazę glutaminową

• Aminokwasy i amidy

produkowane w
brodawkach są następnie
rozprowadzane po całym
organizmie rośliny-
gospodarza

PRZYSWAJANIE AZOTANÓW PRZEZ ROŚLINY WYŻSZE

• W tkankach roślin mogą

nagromadzać się duże ilości
azotanów , gdyż nie
przejawiają one w stosunku do
rośliny właściwości
toksycznych

• Jedyną formą azotu, która

może być wykorzystywana
przez rośliny do biosyntezy
związków organicznych jest
zredukowana forma azotu
(amoniak)

• W tkankach roślin występują

dwie formy reduktaz:
azotanowa i azotynowa, które
katalizują ciągły proces
redukcji azotanów do
amoniaku

REDUKTAZA AZOTANOWA

• Reduktaza azotanowa jest

kompleksem enzymatycznym
zlokalizowanym w
cytoplazmie

• FAD i Mo występują jako

grupy prostetyczne

• Masa cząsteczkowa waha się

pomiędzy 500 a 600 kDa

• Dawcą elektronów jest NADH
• Jako pierwszy enzym szlaku

redukcji azotanów odgrywa
rolę regulatorową przemian
azotanowych w roślinach

REGULACJA AKTYWNOŚCI REDUKTAZY AZOTANOWEJ

• Enzym indukcyjny tzn.

wytwarzany tylko w
obecności azotanów

• Redukcja azotanów

związana z rozpadem
cukrów i dlatego jej
aktywność zależy od
oświetlenia i stężenia
dwutlenku węgla

REDUKTAZA AZOTYNOWA

• Reduktaza azotynowa

katalizuje redukcję azotynów
do amoniaku

• Masa cząsteczkowa 60-64 kDa
• Występuje w chloroplastach
• Dawcą elektronów w tym

procesie jest ferredoksyna

• Redukcja azotanów do

amoniaku wymaga
przeniesienia 8 elektronów

• Ze względu na zużywanie

dużej ilości energii
promieniowania słonecznego
proces ten przebiega przede
wszystkim w zielonych
częściach roślin

ASYMILACJA AMONIAKU (pierwotna synteza

aminokwasów)

Dehydrogenaza glutaminianowa

.

CYKL GS-GOGAT

GS- SYNTAZA GLUTAMINIANOWA
GOGAT –AMINOTRASFERAZA GLUTAMINIAN:2-OKSOGLUTARAN

CYKL GS-GOGAT

ROZKŁAD AMINOKWASÓW

Aminokwasy występujące w organizmie w

nadmiarze

nie mogą być magazynowane. Nie są

również wydalane

• Nadmiar aminokwasów jest wykorzystywany jako

materiał energetyczny

• Grupa α-aminowa aminokwasu jest odłączana od

aminokwasu

• Powstały szkielet węglowy jest przekształcany do

głównego intermediatu metabolicznego

• Większość grup aminowych aminokwasów

występujących w nadmiarze ulega przekształceniu w
mocznik

• Szkielety węglowe aminokwasów są przekształcane

w acetylo-CoA, pirogronian lub jeden z
intermediatów TCA

Grupy α-aminowe ulegają przekształceniu w jony
amonowe przez

oksydacyjną deaminację

glutaminianu

Przeniesienie grup α-aminowych z α-aminokwasu na α-ketokwas
katalizują

aminotransferazy (transaminazy)

Ogólnie aminotransferazy skierowują spływ grup aminowych z różnych
aminokwasów na α-ketoglutaran w celu przemiany w NH

4+

Aminotransferazy

• Aminotransferaza asparaginianowa:

Asparaginian + α-ketoglutaran ↔ szczawiooctan +

glutaminian

• Aminotransferaza alaninowa

Alanina + α-ketoglutaran ↔ pirogronian +

glutaminian

Jony amonowe powstają w procesie oksydacyjnej
deaminacji glutaminianu

Reakcję tę katalizuje

dehydrogenaza glutaminianowa;

może ona

wykorzystywać

jako akceptory wodoru zarówno

NAD jak i NADP

Po zsumowaniu reakcje katalizowane przez
transaminazy i przez dehydrogenazę glutaminianową
można przedstawić równaniem:

CYKL MOCZNIKOWY

W organizmach kręgowców lądowych jony amonowe
ulegają dalszym przemianom tworząc mocznik i w tej
postaci są wydalane. Mocznik nie nagromadza się w
tkankach roślin wyższych ponieważ jest hydrolizowany
do amoniaku i dwutlenku węgla przez urazę
(amidohydrolazę mocznika).

Główna funkcja u roślin: detoksykacja jonów amonowych
oraz wytwarzanie argininy występującej w białkach
zapasowych

Grupa prostetyczna aminotransferaz, fosforan pirydoksalu tworzy
intermediaty o charakterze zasady Schiffa

CYKL MOCZNIKOWY

• Ptaki i gady lądowe przed wydaleniem

przekształcają grupy amonowe w kwas

moczowy

organizmy urykoteliczne

• Zwierzęta wodne wydalają bezpośrednio jony

amonowe

organizmy amonoteliczne

• Kręgowce lądowe wydalają nadmiar jonów

amonowych w postaci mocznika

organizmy

ureoteliczne

Cykl mocznikowy był pierwszym dobrze poznanym
cyklicznym torem metabolicznym (H. Krebs i K. Henseleit 1932)

Bezpośrednim prekursorem mocznika jest arginina, która z udziałem
arginazy ulega hydrolizie do mocznika i ornityny

Pozostałe reakcje cyklu mocznikowego prowadzą do syntezy argininy
z ornityny
Najpierw na ornitynę zostaje przeniesiona grupa karbamoilowa, co
prowadzi do
powstania cytruliny. Reakcję tę katalizuje karbamilotransferaza
ornitynowa

W następnym etapie syntetaza argininobursztynianowa katalizuje kondensację
cytruliny z asparaginianem. Reakcja ta przebiega kosztem energii ATP

Liaza argininobursztynianowa rozszczepia argininobursztynian na argininę i fumaran

Karbamoilofosforan niezbędny do utworzenia cytruliny jest
syntetyzowany z
CO

2

, NH

4+

, ATP i H

2

O w reakcji katalizowanej przez syntetazę

karbamoilofosforanową. Synteza karbamoilofosforanu jest praktycznie
nieodwracalna, gdyż zużywane są 2 cząsteczki ATP

Wrodzone wady enzymów cyklu mocznikowego

powodują hiperamonemię i mogą prowadzić do

uszkodzenia mózgu

• Główną drogą usuwania jonów amonowych z organizmu jest

synteza mocznika przebiegająca w wątrobie

• Wszystkie wady enzymów cyklu mocznikowego prowadzą do

zwiększonego stężenia jonów amonowych we krwi
(hiperamonemia)

• Brak liazy argininobursztynianowej (argininobursztynuria)
Skutki tej wady metabolicznej można częściowo złagodzić

podając choremu w diecie nadmiar argininy oraz ograniczając
ogólną zawartość białka

• Arginina w wątrobie ulega przekształceniu do mocznika i

ornityny

• W reakcji ornityny z karbamoilofosforanem tworzy się cytrulina,

która kondensując z asparaginianem daje argininobursztynian
(wydalany z organizmu):

Brak syntetazy karbamoilofosforanowej klub karbamoilotransferazy ornitynowej
Ukazuje inny możliwy sposób ominięcia wadliwego toru metabolicznego.

Dietę ograniczająca białko uzupełnia się dużą ilością benzoesanu i fenylooctanu
Hipuran i fenyloacetyloglutamina zastępują mocznik w usuwaniu azotu z organizmu