Азот. Роль азоту у рості рослин
Азот входить до складу білків, нуклеїнових кислот, пігментів, коферментів, фітогормонів та вітамінів. При нестачі азоту гальмується зростання рослин, послаблюється утворення бічних пагонів і кущіння у злаків, спостерігається дрібнолиста, зменшується розгалуження коренів. Симптомом азотного дефіциту є хлороз листя - блідо-зелене забарвлення листя, викликане ослабленням синтезу пігменту хлорофілу. Тривале азотне голодування веде до гідролізу білків і руйнування хлорофілу в нижніх більш старих листках і відтоку розчинних сполук азоту до молодого листя, точок росту та генеративних органів. Внаслідок руйнування хлорофілу забарвлення нижнього листя залежно від виду рослини набуває жовтих, помаранчевих або червоних тонів, а при сильно вираженому азотному дефіциті можливе висихання і відмирання тканин.
4.3.2.1. Доступні для рослин форми азоту
Азот - одне із найпоширеніших елементів у природі. Основними його формами Землі є зв'язаний азот літосфери і газоподібний молекулярний азот атмосфери, що становить близько 76 % повітря за масою. Однак молекулярний азот атмосфери не засвоюється вищими рослинами. У ґрунті зосереджена лише мінімальна частина літосферного азоту і лише від 0,5 до 2 % ґрунтового азоту доступне рослинам. Цей азот представлений у формі NO-3 та NH+4-іонів.
Іони NO-3 рухливі, погано фіксуються в ґрунті і легко вимиваються ґрунтовими водами в глибші шари ґрунту та водойми. Вміст нітратів у ґрунті зростає навесні, коли створюються умови, сприятливі для діяльності бактерій, що нітрифікують. Катіон NH+4 менш рухливий, добре адсорбується негативно зарядженими частинками, менше вимивається опадами.
Запаси азоту у ґрунті можуть поповнюватися різними шляхами. При вирощуваннісільськогосподарських культур вносять у ґрунт мінеральні та органічні азотні добрива. У природних умовах основна роль належить спеціалізованим групам мікроорганізмів. Це азотфіксатори, що засвоюють молекулярний азот атмосфери, а також ґрунтові бактерії, здатні переводити у форму NO-3 та NH+4-іонів органічний азот рослинних та тваринних залишків.
Процес перетворення органічного азоту ґрунту в NH+4-іони називається амоніфікацією. Вона здійснюється гетеротрофними мікроорганізмами за схемою:
органічний азот RNH2 + H2O NH3 + ROH
NH3 + H2O NH+4 + OH-
Біологічне окислення NH+4 до NO-3, тобто нітрифікація - це двоступінчастий процес, який здійснюється двома групами автотрофних бактерій: Nitrosomonas і Nitrobacter. Nitrosomonas окислюють аміак до азотистої кислоти:
2 NH3 + 3O2 2HNO2 + 2H2O,
а Nitrobacter окислюють азотисту кислоту до азотної:
2HNO2 + О2 2HNO3
4.3.2.2. Біологічна азотфіксація
Газоподібний азот може перетворюватися на доступні для рослин сполуки в ході хімічної та біологічної азотфіксації. Хімічне зв'язування N2 у формі NO-3 та NH+4-іонів у невеликих розмірах відбувається внаслідок фотохімічних процесів та електричних розрядів в атмосфері. Наразі налагоджено промислове виробництво азотної кислоти та аміаку з азоту повітря.
Однак основна маса азоту, що міститься в живих організмах, що населяють нашу планету, своїм походженням зобов'язана діяльності мікроорганізмів, здатних асимілювати молекулярний азот атмосфери, відновлюючи його до аміаку. Цей процес називається біологічною азотфіксацією.
Мікроорганізми, що здійснюють біологічну азотфіксацію, поділяють на вільноживучі та живуть у симбіозі з вищимирослинами. Група вільноживучих азотфіксаторів включає бактерії пологів Azotobacter, Beijerinckia, Clostridium, а також фотосинтезуючі бактерії та деякі види ціанобактерій – синьо-зелених водоростей. Всі вони гетеротрофи і потребують вуглеводного джерела живлення. Бактерії пологів Azotobacter та Beijerinckia поселяються на поверхні коренів вищих рослин та використовують кореневі виділення. Заселення ціанобактеріями рисових полів збільшує врожай рису приблизно на 20%. Проте сільськогосподарське значення вільноживучих азотфіксаторів невелике. У помірному кліматі щорічна фіксація ними азоту становить трохи більше 20 - 40 кг азоту на гектар.
До групи симбіотичних азотфіксаторів належать бактерії роду Rhizobium, що утворюють бульби на коренях бобових рослин і фіксують, в середньому, від 100 до 400 кг азоту на га. Велике значення в природі мають деякі лишайники, що являють собою симбіоз гриба та азотфіксуючих ціанобактерій. Вони розвиваються в субарктичних зонах, на скелях та інших безплідних ділянках, будучи таким чином піонерами заселення суші. Нині налічується близько 190 видів рослин різних сімейств, здатних симбіотично засвоювати азот. До них належать деякі дерева і чагарники: вільха, восковниця, лох, обліпиха та інші.
Інфікування рослини-господаря починається з проникнення бактерій роду Rhizobium у клітину кореневого волоска. Потім бактерії мігрують у клітини кори і викликають інтенсивний поділ інфікованих клітин, що призводить до утворення бульб на коренях. При цьому самі бактерії перетворюються на бактероїди, які в 40 разів більші за обсягом вихідної бактерії.
Молекула азоту (NN) хімічно інертна. Для розриву трьох її ковалентних зв'язків у хімічному процесі синтезу аміаку потрібнікаталізатори, високі температура та тиск. Біологічна фіксація азоту здійснюється при невисокій температурі і нормальному тиску, що свідчить про дуже високу ефективність ферменту нітрогенази, що бере участь у цьому процесі. Фермент складається з двох компонентів: високомолекулярного (200-250 кДа) Mo, Fe-білка та низькомолекулярного (50-70 кДа) Fe-білка. Субстрат N2 зв'язується та відновлюється на Mo, Fe-білку, а Fe-білок служить переносником електронів від ферредоксину на Mo, Fe-білок. Реакція пов'язана із гідролізом АТФ. Для відновлення N2 до NH3 потрібно 6 електронів, які витрачаються у три етапи:
2e + 2H+ 2e + 2H+ 2e + 2H+
NN HN = NH H2N - NH2 2 NH3
Оскільки нітрогеназний комплекс руйнується в присутності кисню, у азотфіксуючих мікроорганізмів використовується низка механізмів для його захисту. У Rhizobium цю функцію виконує гемсодержащий білок легогоглобін або леггемоглобін, що має дуже високу спорідненість до кисню. Він синтезується клітинами рослини-господаря та вбудовується в мембрану бактероїду. Цикл Кребса, що функціонує в бактероїдах, служить джерелом субстратів для окислення в електрон-транспортному ланцюгу, що здійснює синтез АТФ, забезпечує нітрогеназу електронами через ферредоксин, постачає -кетоглутарову кислоту, яка, реагуючи з NH-4, утворює глютамінову амінокислоту господаря.
4.3.2.3. Редукція нітрату
В органічні сполуки включається лише амонійний азот, тому іони нітрату, поглинені рослиною, відновлюються у клітинах до аміаку. Редукція нітрату в рослинах здійснюється у два етапи. Спочатку відбувається відновлення нітрату до нітриту, пов'язане з перенесенням 2 електронів і каталізується ферментомнітратредуктазою:
NO-3 + НAД(Ф)Н + Н+ NO-2 + НАД(Ф)+ + Н2О
Гриби та зелені водорості як донора електронів використовують відновлений нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат відновлений (НАДФН). У вищих рослин фермент має спорідненість до нікотинамідаденіндінуклеотиду відновленого (НАДН), який утворюється в ході реакцій гліколізу та циклу Кребса.
Нітрити, що утворюються першому етапі редукції нітратів, швидко відновлюються до аміаку ферментом нітритредуктазою. Вона як донора електронів використовує відновлений ферредоксин:
NO-2 + 6 Фдвост. + 8 Н+ NH+4 + 6 Фдокисл. + 2 Н2О
Обидві ці реакції відбуваються у листі та корінні. У зелених частинах рослини нітритредуктаза локалізована у хлоропластах. Відновник ферредоксин одержує електрони прямо з фотосинтетичного електротранспортного ланцюга. У корінні нітрит відновлюється в пропластидах. Так як у корінні ферредоксин відсутній, то джерелом електронів служить НАДФН, що утворюється в пентозофосфатному шляху дихання.
4.3.2.4. Шляхи асиміляції аміаку
Аміак, що надійшов у рослину з ґрунту, що утворився при відновленні нітратів або в процесі фіксації молекулярного азоту, засвоюється рослинами з утворенням амінокислот та амідів. Фермент глутаматдегідрогеназу каталізує відновне амінування -кетоглутарової кислоти з утворенням глютамінової кислоти. На першому етапі реакції субстрати з'єднуються з утворенням імінокислоти, яка потім відновлюється в глутамінову кислоту за участю НАД(Ф)Н. Обидва етапи оборотні:
СООН H2O СООН СООН
С=О + NH3 C = NH СН NH2
-кетоглутарова кислота -іміноглутарат глютамінова кислота
Глютаматдегідрогеназа (мол. маса 200-300 кДа)виявлена в листі і коренях у всіх вищих рослин, але в коренях її активність вища. Фермент локалізований переважно в мітохондріях, хоча є в цитоплазмі та в хлоропластах. Він складається з 4-6 субодиниць. Це фермент оборотної дії та залежить від рН. Оптимум рН для амінування на 1,5 одиниці вищий, ніж для дезамінування.
Глютамінсинтетаза каталізує реакцію, в якій глютамінова кислота функціонує як акцептор NH3 для утворення аміду глютаміну. Для цієї реакції необхідна АТФ:
С NH2 + NH3 + АТФ СН NH2 + АДФ + Фн
Глютамінова кислота Глютамін
Іони марганцю, кобальту, кальцію та магнію є кофакторами глютамінсинтетази. Фермент виявлений у всіх органах рослин та локалізований у цитоплазмі.
Крім -кетоглутарової кислоти, що відіграє основну роль у первинному зв'язуванні аміаку, роль акцепторів аміаку в рослинах можуть виконувати інші органічні кислоти, які за допомогою відповідних ферментів взаємодіють з NH3, утворюючи так звані первинні амінокислоти. Вони ж є акцептором аміногруп у різних реакціях переамінування. До цих органічних кислот відносяться щавлевооцтова, піровиноградна, гідроксипіровіноградна, гліоксилова та інші, в процесі відновного амінування яких виходять відповідно аспарагінова кислота, аланін, серин, гліцин.
Прийнято вважати, що утворення аспарагіну переважає у тому випадку, коли відбувається розпад білків у насінні. У клітинах кореня і листя рослини йде, головним чином, утворення глютаміну. Таким чином, утворення аспарагіну – це шлях знешкодження аміаку, що з'являється при розпаді білка – так звана регресивна гілка азотного обміну, тоді як синтез глютаміну – це шлях знешкодження.аміаку при синтезі білка – прогресивна гілка азотного обміну.
Роль амідів у рослині різноманітна. Це не лише форма знешкодження аміаку, а й транспортна форма азотних сполук, що забезпечує відтік їх з одного органу до інших. Крім того, аміди та їх попередники амінокислоти є матеріалом для створення багатьох інших амінокислот у реакціях переамінування, коли амінокислота обмінюється з кетогрупою кетокислоти з утворенням амінокислоти.