Cykl azotowy – wykład 10

Aby było szybciej i sprawnej tym razem będę zaznaczał, który slajd opisuję lub tłumaczę i będę przeskakiwał oczywistości i skracał tekst polski cytowany, który jest na prezentacji.

[2] Najważniejsze nieorganiczne formy N występują w stanie utlenionym.

[4] Cykl azotowy zbudowany jest z czterech głównych faz:

• Nitryfikacji - utlenianie amoniaku do jonów azotynowych i dalej do azotanowych

• Denitryfikacji - przekształcanie nadmiaru azotanów pochodzących z procesu nitryfikacji do gazowego azotu

• Kondensacji/Fiksacja – gromadzenie azotu zredukowanego (NH₃) poprzez wchłanianie związku z atmosfery (bakterie azotowe)

• Asymilacji – redukcja jonów azotanowych (reduktaza azotanowa) i dalej azotynowych (reduktaza azotynowa) do amoniaku

[5] Asymilacja azotanu występuje w dwóch etapach:

• 2-elektronowa redukcja azotanu do azotynu, katalizowana przez reduktazę azotanową

• 6-elektronowa redukcja azotynu do amonu, katalizowane przez reduktazę azotynową

Asymilacja azotanu jest dominującym sposobem u roślin zielonych, glonów i wielu mikroorganizmów w zdobywaniu azotu.

[6] Reduktaza azotanowa - Elektrony są przenoszone z NADH na azotan:

• Szlak włącza enzymy z grupą -SH, FAD, cytochrom b557 i białko MoCo

• Reduktazy azotanowe są typowymi enzymami cytozolowymi 220kDa

• Kofaktor MoCo jest konieczny zarówno dla aktywności reduktazy azotanowej jak i zebrania podjednostek reduktazy azotanowej w aktywny dimeryczny holoenzym

[7] Reduktaza azotynowa - Azotyn jest redukowany do amonu, w tym czasie jest związany do sirohemu

[10] Wiązanie wolnego azotu przez Rhizobia w syntezie z roślinami motylkowymi wymaga:

• Enzymu - nitrogenazy

• Reduktanta - zredukowana ferredoksyna

• ATP

• Warunków beztlenowych

[11, 12] Transfer elektronu potrzebny do szlaku działania nitrogenezy wymaga usuwania kolejnych elektronów z pomocą odpowiednich. Elektrony te przenoszone są z rozpadu pirogronianu i CoA na CO₂ i acetylo-CoA na ferrodoksynę/flawodoksynę (redukcja), następnie na reduktazę dinitrogenazy (redukcja i włączenie ATP) i nitrogenezę, która pozwala na przekształcenie cząsteczki N₂ w 2 NH₃. Reakcja ta wymaga 8 elektronów oraz 16 ATP zużywanych na przemianę jednej cząsteczki azotu. Obligatoryjnie (u anaerobów) tej reakcji współtowarzyszy redukcja dwóch protony do cząsteczki wodoru. Inhibitorem reakcji przeprowadzanej przez nitrogenezę jest CO powodujący silne odwrócenie działania redukcyjnego.

[15] 16 ATP potrzeba do przerwania potrójnego wiązania w cząsteczce azotu.

[16] Nitrogenaza:

• 240 kD α2β2 heterotetramer

• Dimer αβ służy jako funkcjonalna jednostka i każdy dimer αβ zawiera dwa rodzaje centrów metalowych, niezwykłe 8Fe-7S centrum znane jako centrum P i nowe 7Fe-1Mo-9S centrum znane jako kofaktor FeMo

• Nitrogenaza w niezwykłych okolicznościach może zawierać kofaktor żelazo:wanad, zamiast molibdenu.

[20] Wiązanie azotu hamuje ADP-rybozylacja (zmieniając konformację nitrogenazy) oraz obecność jonów amonowych (hamują ekspresję genu kodującego nitrogenazę)

[21] Trzy główne reakcje we wszystkich komórkach:

• Syntetaza karbamoilofosforanowa I – katalizuje reakcję pomiędzy karbonylofosforanem a węglanem. Wymaga 2 cząsteczek ATP - jedna do aktywacji węglanu, druga w procesie fosforylacji karbaminianu dając karbamoilofosforan; N-acetyloglutaminian jest efektorem allosterycznym

• Dehydrogenaza glutaminianowa (GDH) – katalizuje reakcję redukcyjnej aminacji α‑ketoglutaranu do glutaminianu

• Syntetaza glutaminy (GS) – katalizuje reakcję ATP-zależnej amidacji grupy γ-karboksylowej glutaminianu do glutaminy

[25, 26, 27] Istnieją dwa podstawowe szlaki asymilacji jonów amonowych (NH₄⁺):

• GDH/GS w organizmach bogatych w azot

• GS/GOGAT (syntaza glutaminianu) w organizmach narażonych na ograniczony dostęp azotu

[29] Syntetaza glutaminy regulowana jest allosterycznie przez Gly, Ala, Ser, His, Trp, CTP, AMP, karbamoilo-P i glukozamina-6-P [ważny schemat na slajdzie 30]

[34] Tłumaczenie dosłowne: Ogólny schemat nitryfikacji - oksydacji amoniaku do jonów azotanowych – przeprowadzanej przez monooksygenazę amonową, oksydoreduktazę hydroksylaminy w organizmach autotroficznych (Nitrosomonas) pokazujący podział elektronów pomiędzy terminalną oksydazę cytochromową i monooksygenazę amonową.

[35] Model szlaku prawdopodobnego transferu elektronu bez działania oksydoreduktazy hydroksylaminy zdolny do przekazania dwóch elektronów na raz. Potrójny klaster hemowy zawierający hem P460 poprzez hem6 przekazuje 2 elektrony na podwójny kompleks klastrów hemowych I, a następnie na podwójny kompleks klastrów hemowych II i do cyt c-554. Potrójny klaster hemowy poprzez hem7 przekazuje 1 elektron na hem8 i dalej na hem2.

[36] Enzymy kontrolujące nitryfikację autotroficzną korzystają z gradientu protonowego wytworzonego przez Cu aa3. Monooksygenaza amonowa przejmuje dwa elektrony, które wykorzystuje do przemiany NH3 w NH2OH, które następnie przekazane jest do obróbki oksydoreduktazy hydroksylaminy, która przekształca cząsteczkę w NHO2, wykorzystujące przeniesienie 4 elektronów na cyt c554, dalej na cyt c553M, Q (który dzieli po dwa elektrony dla monooksygenazy i Cu aa3); lub w alternatywnym szlaku, 2 elektronów na cyt c552 i dalej na Cu aa3.

[37] Oksydoreduktaza azotynowa występuje w cytoplazmie i umożliwia oksydację jonów azotynowych w jony azotanowe z jednoczesną redukcją cząsteczki wody i wytworzeniem 2 protonów. Enzym ten zbudowany jest z trzech podjednostek (α, β, γ), które przenoszą elektrony na cyt c550.

[38] Denitryfikacja w bakteriach Gram- przeprowadzana jest przez cztery reduktazy: NaR – azotanu; NiR – azotynu; NoR – tlenku azotu; NoS – podtlenku azotu.

[43, 44] Biogeochemiczny cykl siarki. Siarczany są asymilowane przez organizmy (rośliny, mikroorganizmy) , które używają ich w syntezie aminokwasów (cysteiny, metioniny) oraz innych związków organicznych. Chemoautotroficzne i fotosyntetyzujące bakterie siarkowe wykorzystują H₂S jako miejsce dla elektronów i tlenu. Wiele organizmów redukuje H₂S do siarczanów.

[45] W anaerobowych warunkach utlenianie zredukowanych związków siarki przez mikroorganizmy jest związane z redukcją CO₂ w odniesieniu do chemosyntezy opartej na S. Bakterie potrafią wkomponować H₂S do swoich centr żelazowo-siarkowych (reakcja z Fe²⁺).

[49] Wpływ fitoplanktonu na środowisko. Fitoplankton oceaniczny produkuje DMSP, które jest rozkładane przez bakterie do DNS oraz akrylanu. DMS ulega oksydacji, a następnie przekształceniu w siarczany, które mogą migrować wraz z formacjami chmur. Siarczany powracają do oceanu wraz z deszczem i ponownie mogą być wykorzystywane przez fitoplankton. Jest to jeden ze sposobów na regulowanie homeostazy klimatu.

[53] W roślinach asymilacja siarczanów polega na przyłączeniu go w formie APS i dalszej redukcji, która umożliwi wykorzystanie w biosyntezie cysteiny. Inną drogą APS jest wkomponowanie w PAPS i udział w sulfatacji odpowiednich białek (modyfikacje posttransacyjne). Aminokwasy siarkowe mogą być przekształcane w metabolity takie jak: DMSP, poliaminy, etylen.

[54] Sulfurylaza ATP powoduje powstanie APS z ATP i SO₄^2-.

[55, 56] Istnieją dwie hipotezy tłumaczące redukcję siarczanów u roślin. Według pierwszej z nich APS sulfotransferaza używa APS jako donor siarczanu i transportuje go na akceptor zawierający grupy sulfhydrylowe (np. glutation). Reduktaza tiosiarczanów przeprowadza reakcję powstania tiosiarczków, które zgodnie z hipotezą miałby w wyniku protonowania zmienić się w siarkowodór. Według drugiej hipotezy APS jest fosforyzowany przez kinazę do PAPS, które ulega redukcji z użyciem donacji elektronów z tioredoksyny. Reuktaza PAPS usuwa PAP (z pomocą NADPH), a pozostawiony siarczan ulega redukcji przez reduktazę siarczkową biorącą elektrony z ferrodoksyny.

[58] Ważny schemat opisany powyżej

[60] Fosfor:

• Występuje w formie rozpuszczonej i stałej, brak fazy gazowej.

• W rozpuszczonej formie mineralnej występuje w stopniu utlenienia +5.

• Zdysocjowane formy nieorganiczne są asymilowane przez rośliny, bakterie chemoautotroficzne, a także niektóre bakterie heterotroficzne; ich zasoby mogą zostać wyczerpane i ograniczać wzrost organizmów.

[65] Merry Chistmas, everyone…