Азот. Ролята на азота в растежа на растенията
Азотът е част от протеини, нуклеинови киселини, пигменти, коензими, фитохормони и витамини. При липса на азот растежът на растенията се инхибира, образуването на странични издънки и братенето при зърнените култури се отслабва, наблюдават се дребнолистни листа и разклоняването на корените намалява. Симптом на недостиг на азот е хлорозата на листата - бледозелен цвят на листата, причинен от отслабване на синтеза на пигмента хлорофил. Продължителното азотно гладуване води до хидролиза на протеини и разрушаване на хлорофила в долните стари листа и изтичане на разтворими азотни съединения към младите листа, точките на растеж и генеративните органи. Поради разрушаването на хлорофила, цветът на долните листа, в зависимост от вида на растението, придобива жълти, оранжеви или червени тонове, а при изразен дефицит на азот е възможно изсушаване и смърт на тъканите.
4.3.2.1. Форми на азот, достъпни за растенията
Азотът е един от най-широко разпространените елементи в природата. Основните му форми на Земята са свързаният азот на литосферата и газообразният молекулярен азот на атмосферата, който съставлява около 76% от масата на въздуха. Молекулярният азот на атмосферата обаче не се усвоява от висшите растения. Само минимална част от литосферния азот е концентрирана в почвата и само от 0,5 до 2% от почвения азот е достъпен за растенията. Този азот присъства под формата на NO-3 и NH+4 йони.
NO-3 йоните са подвижни, слабо фиксирани в почвата и лесно се отмиват от почвената вода в по-дълбоките почвени слоеве и водни тела. Съдържанието на нитрати в почвата се повишава през пролетта, когато се създават благоприятни условия за дейността на нитрифициращите бактерии. Катионът NH+4 е по-малко подвижен, добре се адсорбира от отрицателно заредени частици и по-малко се измива от утаяване.
Запасите от азот в почвата могат да се попълват по различни начини. При култивиранеселскостопанските култури въвеждат в почвата минерални и органични азотни торове. В естествени условия основната роля принадлежи на специализирани групи микроорганизми. Това са азотфиксатори, които асимилират атмосферния молекулярен азот, както и почвени бактерии, които могат да преобразуват органичния азот от растителни и животински остатъци под формата на NO-3 и NH + 4 йони.
Процесът на превръщане на почвения органичен азот в NH+4 йони се нарича амонификация. Извършва се от хетеротрофни микроорганизми по схемата:
органичен азот RNH2 + H2O NH3 + ROH
NH3 + H2O NH+4 + OH-
Биологичното окисление на NH + 4 до NO-3, тоест нитрификация, е двуетапен процес, извършван от две групи автотрофни бактерии: Nitrosomonas и Nitrobacter. Nitrosomonas окислява амоняка до азотиста киселина:
2 NH3 + 3O2 2HNO2 + 2H2O,
и Nitrobacter окисляват азотната киселина до азотна киселина:
2HNO2 + О2 2HNO3
4.3.2.2. Биологична азотна фиксация
Газообразният азот може да се преобразува в съединения, достъпни за растенията по време на химична и биологична азотна фиксация. Химичното свързване на N2 под формата на йони NO-3 и NH+4 в малки размери възниква в резултат на фотохимични процеси и електрически разряди в атмосферата. Сега е установено промишлено производство на азотна киселина и амоняк от атмосферен азот.
Въпреки това, по-голямата част от азота, който се съдържа в живите организми, обитаващи нашата планета, се дължи на дейността на микроорганизми, способни да асимилират молекулярния азот на атмосферата, редуцирайки го до амоняк. Този процес се нарича биологична азотна фиксация.
Микроорганизмите, които извършват биологична фиксация на азот, се разделят на свободно живеещи и живеещи в симбиоза с висши организми.растения. Групата на свободно живеещите азотфиксатори включва бактерии от родовете Azotobacter, Beijerinckia, Clostridium, както и фотосинтезиращи бактерии и някои видове цианобактерии - синьо-зелени водорасли. Всички те са хетеротрофи и се нуждаят от въглехидратен източник на храна. Бактериите от родовете Azotobacter и Beijerinckia се установяват по повърхността на корените на висшите растения и използват коренови секрети. Колонизацията на оризовите полета от цианобактерии увеличава добива на ориз с около 20%. Селскостопанската стойност на свободно живеещите азотфиксатори обаче е малка. В районите с умерен климат годишната им азотфиксация е не повече от 20-40 kg азот на хектар.
Групата на симбиотичните азотфиксатори включва бактерии от род Rhizobium, които образуват възли по корените на бобовите растения и фиксират средно от 100 до 400 kg азот на хектар. От голямо значение в природата са някои лишеи, които са симбиоза на гъба и азотфиксиращи цианобактерии. Те се развиват в субарктическите зони, върху скали и други безплодни райони, като по този начин са пионерите на земната колонизация. В момента има около 190 вида растения от различни семейства, които могат симбиотично да усвояват азот. Те включват някои дървета и храсти: елша, восък, издънка, морски зърнастец и други.
Инфекцията на растението гостоприемник започва с проникването на бактерии от рода Rhizobium в клетката на корена. След това бактериите мигрират в клетките на кората и предизвикват бързото делене на заразените клетки, което води до образуване на възли по корените. В същото време самите бактерии се превръщат в бактероиди, които са 40 пъти по-големи по обем от първоначалната бактерия.
Молекулата на азота (NN) е химически инертна. За да разкъса трите си ковалентни връзки в химичния процес на синтез на амоняк,катализатори, висока температура и налягане. Биологичната азотна фиксация се извършва при ниска температура и нормално налягане, което показва много висока ефективност на ензима азотназа, участващ в този процес. Ензимът се състои от два компонента: високомолекулен (200–250 kDa) Mo, Fe протеин и нискомолекулен (50–70 kDa) Fe протеин. N2 субстратът се свързва и се редуцира върху Mo, Fe протеина, а Fe протеинът служи като електронен носител от фередоксин към Mo, Fe протеина. Реакцията е свързана с хидролизата на АТФ. Редукцията на N2 до NH3 изисква 6 електрона, които се изразходват в три стъпки:
2e + 2H+ 2e + 2H+ 2e + 2H+
NN HN = NH H2N - NH2 2 NH3
Тъй като нитрогеназният комплекс се разгражда в присъствието на кислород, азотфиксиращите микроорганизми използват редица механизми за защитата му. В Rhizobium тази функция се изпълнява от хем-съдържащия протеин легоглобин или легхемоглобин, който има много висок афинитет към кислорода. Синтезира се от клетките на растението гостоприемник и се интегрира в бактероидната мембрана. Цикълът на Кребс, функциониращ в бактероидите, служи като източник на субстрати за окисляване във веригата за транспортиране на електрони, която синтезира АТФ, осигурява азотна киселина с електрони чрез фередоксин, доставя α-кетоглутарова киселина, която, реагирайки с NH-4, образува глутаминова аминокиселина, която след това се транспортира до клетките на растението гостоприемник.
4.3.2.3. Намаляване на нитратите
Само амониевият азот е включен в органичните съединения, така че нитратните йони, абсорбирани от растението, се редуцират в клетките до амоняк. Намаляването на нитратите в растенията протича на два етапа. Първо, нитратът се редуцира до нитрит, съчетан с преноса на 2 електрона и катализиран от ензиманитрат редуктаза:
NO-3 + NAD(P)H + H+ NO-2 + NAD(P)+ + H2O
Гъбите и зелените водорасли използват редуциран никотинамид аденин динуклеотид фосфат (NADPH) като донор на електрони. Във висшите растения ензимът има афинитет към редуцирания никотинамид аденин динуклеотид (NADH), който се образува по време на реакциите на гликолиза и цикъла на Кребс.
Нитритите, образувани в първия етап на редукция на нитратите, бързо се редуцират до амоняк от ензима нитрит редуктаза. Тя използва редуциран фередоксин като донор на електрони:
НЕ-2 + 6 + 8 H+ NH + 4 + 6 Phdoxyl. + 2 H2O
И двете реакции се срещат в листата и корените. В зелените части на растението нитрит редуктазата е локализирана в хлоропластите. Редуциращият агент фередоксин получава електрони директно от фотосинтетичната електротранспортна верига. В корените нитритите се редуцират в пропластиди. Тъй като в корените няма фередоксин, източникът на електрони е NADPH, който се образува в пентозофосфатния път на дишане.
4.3.2.4. Пътища на асимилация на амоняк
Амонякът, който е влязъл в растението от почвата, образуван по време на редукция на нитрати или в процеса на фиксиране на молекулярен азот, се абсорбира от растенията с образуването на аминокиселини и амиди. Ензимът глутамат дехидрогеназа катализира редуктивното аминиране на α-кетоглутаровата киселина до образуване на глутаминова киселина. В първия етап на реакцията субстратите се комбинират, за да образуват иминокиселина, която след това се редуцира до глутаминова киселина с участието на NAD(P)H. И двете стъпки са обратими:
COOH H2O COOH COOH
C \u003d O + NH3 C \u003d NH CH NH2
-кетоглутарова киселина -иминоглутарат глутаминова киселина
Глутамат дехидрогеназа (моларно тегло 200-300 kDa)намира се в листата и корените на всички висши растения, но активността му е по-висока в корените. Ензимът е локализиран главно в митохондриите, въпреки че присъства в цитоплазмата и хлоропластите. Състои се от 4-6 субединици. Той е обратим ензим и зависи от pH. Оптималното pH за аминиране е с 1,5 единици по-високо от това за дезаминиране.
Глутамин синтетазата катализира реакция, при която глутаминовата киселина функционира като амониев акцептор за образуване на глутамин амид. Тази реакция изисква АТФ:
C NH2 + NH3 + ATP CH NH2 + ADP + Fn
Глутаминова киселина глутамин
Йони на манган, кобалт, калций и магнезий са кофактори на глутамин синтетазата. Ензимът се намира във всички растителни органи и е локализиран в цитоплазмата.
В допълнение към α-кетоглутаровата киселина, която играе основна роля в първичното свързване на амоняка, други органични киселини също могат да играят ролята на акцептори на амоняк в растенията, които взаимодействат с NH3 с помощта на подходящи ензими, образувайки така наречените първични аминокиселини. Те също така служат като акцептор на аминогрупи в различни реакции на трансаминиране. Тези органични киселини включват оксалооцетна, пирогроздена, хидроксипирувинова, глиоксилова и други, в процеса на редуктивно аминиране, от които се получават съответно аспарагинова киселина, аланин, серин и глицин.
Общоприето е, че образуването на аспарагин преобладава, когато има разграждане на протеините в семената. В клетките на корена и листата на растящо растение се образува главно глутамин. Така образуването на аспарагин е начин за неутрализиране на амоняка, който се появява по време на разграждането на протеините - така нареченият регресивен клон на азотния метаболизъм, докато синтезът на глутамин е начин за неутрализиранеамонякът в протеиновия синтез е прогресивен клон на азотния метаболизъм.
Ролята на амидите в растението е разнообразна. Това е не само форма на неутрализиране на амоняка, но и транспортна форма на азотни съединения, осигуряваща изтичането им от един орган в друг. В допълнение, амидите и техните аминокиселинни прекурсори са градивните елементи за много други аминокиселини в реакции на трансаминиране, където аминогрупата на аминокиселина се обменя с кето групата на кетокиселина, за да се образува аминокиселина.