Tartalmi kivonat
N és S autotrófia N és S autotrófia N és S autotrófia: szervetlen N- és S-vegyületek asszimilációja 1.) Oxidált forma redukciója Nitrogén fixáció (NIF): N2(0) + 16ATP + 8e- + 8H+ 2NH3(-3) +H2 + 16ADP + 16Pi Nitrát redukció (NR): NO3-(+5) + 8e- + 10H+ NH4+(-3) + 3H2O Szulfát redukció (SR): SO42-(+6) + ATP + 8e- + 8H+ S2-(-2) + 4H2O + AMP + PPi nagy energia, redukálóerő (kompartmentalizáció) 2.) Redukált forma beépülése (energia, reduktáns) NH4+ Gln/Glu (-NH2), S2- Cys (-SH) Növények, algák (fotolitotróf) gombák, baktériumok egy része (kemotróf, fotolitotróf/fotoorganotróf) Nitrogén anyagcsere Nitrogén vegyületek N2 atmoszféra 80%-a (1x) földkéreg 0.1%-a (vulkanikus kőzet) (50x) NH4+, NO3talajban Klorózis! Szerves nitrogénvegyületek (C,H,O,N) Phe flavonoidok, növényi fenolok Nitrogén körforgalom (Biogeokémiai N ciklus) A magasabbrendű növényi szervezetek által felvehető
nitrogén forrásai: Új források (N2) Biológiai NIF (atmoszférikus, oldott N2) Kémiai NIF (műtrágyagyártás) Kémiai oxidációs folyamatok Reciklizáció (NH3 -NO3- N2 ) Ammonifikáció (gomba, baktérium) C-felhasználás, NH3 felszabadulás Nitrifikáció: Nitrosomonas: NH3 + O2 NO2- + 3H+ + 2eNitrobacter: NO2- + H2O NO3- + 2H+ + 2e(aerob folyamat, savas talajban nincs) energia C-asszimiláció Nitrát redukció Veszteség Denitrifikáció: nitrát légzés (anaerob baktériumok - Thiobacillus Volatilizáció: NH3 atmoszférába Kimosódás: -NO3- Nitrogén körforgalom II. A N-körforgalom folyamatainak hatékonysága * *- nagy része az óceánokban A növényekben lévő redukált nitrogén eredete Kémiai nitrogénfixáció Biológiai nitrogénfixáció Ammónium felvétel Nitrát redukció Fajtól, fejlődési állapottól, környezeti tényezőktől függően különböző stratégiák HaberBosch ammónia szintézis reakció
exoterm, de magas aktivációs energia – N2 hármas kötés) Fe katalizátor, magas hőmérséklet, nagy nyomás, termék eltávolítás (fosszilis energiahordozók limitálják) 1. A biológiai nitrogénfixáció Nitrogénfixáló szervezetek Szimbiózis rhizobiumokkal Nitrogén fixáció a rhizobiumokban A sejtanyagcserével való kapcsolat A szimbiózis kialakulása A szimbiotikus NIF szabályozása Aktinorhizás szimbiózisok Szimbiózis kékbaktériumokkal Asszociatív szimbiózisok 1.11 Szabadon élő diazotróf szervezetek anaerob A nitrogé nitrogénkö nkötés mérté rtéke Gr+ Gr- aerob Nitrogénfixáció – O2 érzékeny - Anaerob/aerob - Mechanikus/biokémiai védelem - Fotoszintézis/nitrogénfixáció térbeli/időbeli elkülönülés 1.12 Szimbionta nitrogénkötők Soybean Phaseolus Casuarina Magas produktivitás – optimális körülmények, nitrogén/szén! csere (fotoautotrófok – N-limitáltság) Cycas Alnus 1.131 A szimbionta
gazdanövények rokonsága Rosidae alosztály egyik alcsoportja pillangósok * A,C,D – Aktinorhizás szimbiózisok 1.132 A szimbionta baktériumok rokonsága -proteobaktériumok * - -proteobaktériumok közt szétszórtan - Rokonság az agrobaktériumokkal 1.2 A biológiai nitrogénfixáció mechanizmusa 1.21 A nitrogenáz enzimkomplex szerkezete azoFd Dinitrogenáz reduktáz 1960 Carnahan és mtsai enzimek izolálása (anaerob körülmények) (2) MoFeMoFe-protein FeMoco Nitrogenáz P 4Fe4Fe-4S ATP FeFe-protein Dinitrogenáz (1) molibdoFd Nitrogenáz-dimer 1.211 A nitrogenáz enzimkomplex: Fe-protein kofaktorok (2) Azoferredoxin (1) Molibdoferredoxin 1.212 A MoFe-protein kofaktorai FeMo-kofaktor (Mo1Fe7-S9) - FeMoco (FeVco, FeFeco) * P-centrum (Fe8-S7) * oxid. * 6 Cys-Fe kovalens kötés 1.22 Elektrontranszport a nitrogenázon NADH/Fd NADH/Fd OR Közvetlen reduktáns a Fd ATP kötődés - Fe-p redox pot csökkenés - Fe-p
– MoFe-p asszociáció ATP hidrolízis (N-áz) - e- transzfer - Fe-p – MoFe-p disszociáció N2 redukció - FeMoco 1.221 Fe-protein ciklus Lépései: 1. Fe-protein redukciója 2. 2 MgATP kötés (Em negatívabb) 3. Su asszociáció 4. ATP hidrolízis - e- transzfer 5. Konformációs változás – Feprotein leválás (1-5 ismétlődik) A nitrogenáz enzimkomplex szerkezete (2) +ATP (1) -ATP 1.222 MoFe-protein ciklus N2(0) + 16ATP + 8e- + 8H+ 2NH3(-3) + H2 + 16ADP + 16Pi ? ? A H2 kompetitíve gátolja a N2 redukcióját E1-8 az enzim különböző redukált állapotai A N2 az E3,4 állapotaiban H2 cserével kötődik A redukció során kötött intermedierek Thorneley-Lowe modell Szabályozás: energia- és reduktánsellátottság 1.223 Szubsztrátredukció Intermedierek diimid hidrazin 1.23 A nitrogenáz reduktánsai Közvetlen reduktánsok - Ferredoxin (Fd): 6-24 kDa, 2Fe-2S/4Fe-4S - Flavodoxin (Fld): 14-23 kDa, FMN Em: -395 – -490 mV Em: -350
– -500 mV (szemikinon/hidrokinon) Végső e- donor (X) : NADPH v. NADH (piruvát) X/Fd OR-ok 1.231 A nitrogenáz elektrondonorai 1.232 A foszforoklasztikus reakció 1.233 Elektrondonorok a kékbaktériumokban 1.234 A nitrogenáz-hidrogenáz kapcsolat kékbaktériumokban „uptake” uptake” 1.24 A nitrogenáz működése: összefoglalás 1.3 Nitrogénkötés pillangós szimbiózisokban 1888 Beijerinck pillangósok gyökérgümőit mikroorganizmusok hozzák létre 1888 Hellriegel & Wilforth pillangósok nitrogénkötők 80% fixált N szimbiotikus nitrogénfixációból (Rhizobiumok csak szimbiózisban fixálnak) 12-17 g szénhidrát /g fixált nitrogén Specifitás – egyensúly (N-igény invázió) Nitrogénkötés a pillangós szimbiózisokban - A nodulusz (gyökérgümő) felépítése - A szimbioszóma működése - A gazdasejtekben folyó biokémiai folyamatok: - A bakteroidok légzéséhez szükséges szénhidrátok biztosítása - Az
alacsony oxigénszint fenntartása - Az ammónia asszimilációja és a szállítódó nitrogénvegyületek szintézise 1.311 A noduluszok morfológiája Determinált Szója Bab Infektált sejtek Indeterminált Borsó Lucerna Lóhere Gyökérszöveteknek megfelelő, de infektált sejtek is megjelennek 1.312 A noduluszok EM-os szerkezete Infektált sejt szimbioszóma Nem infektált sejtek Glycine max – Bradyrhizobium japonicum * 1.32 A szimbioszóma működése Energiaforrás: malát NH3 termelés Lizoszómaszerű: proton ATPáz NH4+ képződés a peribakteroidális térben – ha nem termel, elpusztul NH4+ transzport a gazdasejtbe * * 1.321 Malát – energia és reduktáns forrás Malát: - energiaforrás (aerob légzés) - reduktáns forrás (citrát ciklus: NADH) NADH/Fd OR 1.322 A bakteroidok légzése Specifikumok: - Citrát ciklus: -amino vajsav (GABA) sönt - tartalék tápanyag: polihidroxibutirát (PHB) 1.331 A gazdasejtek működése: A
légzési szubsztrátok biztosítása A malát forrása: szaharóz A malát képződése: - invertáz vagy szaharóz szintetáz + UDPG pirofoszforiláz - glikolizis - PEP karboxiláció 1.332 Az oxigén elleni védelem Légzés O2 igényes N-áz O2 érzékeny (mM) puffer Mitochondriumok perifériásan) O2 affinitás pH, szerves sav függő Kompenzációs mechanizmus (glikoproteinek, min) 1.333 Az ammónia beépülése citoplazma plasztisz 1.334 Szállítódó nitrogénvegyületek (szója, bab, földimogyoró) (lucerna, lóhere, csillagfürt, borsó) (Alnus) 1.3341 Az amidok szintézise plasztisz citoplazma Purin bioszintézis Szénváz: PRPP, Gly, Asp formil csoport CO2 N-beépülés Gln Gly 1.3342 Az allantoin és az allantoinsav szintézise 1.3343 A citrullin szintézise 1 – Ac-CoA:Glu-N-aciltranszferáz 3 – N-Ac-glutamil-5P:NADP+ oxidoreduktáz 5 – N-Ac-ornitin deacetiláz 7 – karbamoil-P szintetáz 2 – N-AcGlu-5-foszfotranszferáz 4
– aminotranszferáz 6 – ornitin transzkarbamoiláz 1.341 Amid transzportáló noduluszok biokémiája: összefoglalás 1.342 Ureid transzportáló noduluszok biokémiája: összefoglalás