Nitrogenassimilasjon

Nitrogen er det grunnstoffet fra jorda som i størst grad regulerer veksten av planter, og som plantene trenger størst mengde av.  Nitrogen inngår blant annet i aminosyrer, nukleinsyrer, hem og klorofyll.

Dødt organisk stoff i jorda nedbrytes i  N-mineraliseringen til aminosyrer (aminofisering) og ammonium (ammonifisering). Ammonium kan omdannes til nitrat ved nitrifikasjon. Omsetningen av nitrogen i skjer i en global nitrogensyklus. Mens planter assimilerer nitrogen, må de primær- og sekundær-konsumentene i økosystemene skille ut nitrogen, som ammonium hos de vannlevende organismene, urea hos pattedyr, og urinsyre hos fugl, krypdyr og til en viss grad også hos pattedyr.

 Nitrat og ammonium er hovedkildene til uorganisk nitrogen som tas opp av planterøttene. Nitratassimilasjonen skjer i både røtter og skudd. Aminosyrer i jorda og urea er andre nitrogenkilder plantene kan utnytte. Noen planter i symbiose med mikroorganismer kan ta opp dinitrogen (N2) fra lufta i biologisk nitrogenfiksering.

Signalmolekylet nitrogenmonoksid

Nitrogenmonoksid (NO) er et radikal viktig signalstoff i planter og dyr. Hos dyr blir NO laget fra aminosyren arginin, men i planter blir NO laget i tilknytning til den primære nitrogenassimilasjonen via reduksjon av nitritt (NO2-):

NO2- + 2e- + 2H+ → NO + H2O

I fler tilfeller samvirker NO og hydrogenperoksid (H2O2). Nitrosylering av proteiner er en av mange posttranslasjonsreguleringer.

Nitratreduksjon

Nitrat fra jordløsningen tas opp av røttene i høy- og lavaffinitets opptakssystemer som nitrat-H+ kotransport (symport).  Planter som ikke har hatt tilgang til nitrat har et lavkapasitets konstitutivt opptakssystem for nitrat, men ved nitrattilførsel vil i løpet av 20 min et høykapasitetssystem etableres. Nitrat kan også tas opp i blader hos epifytter og ved bladgjødsling. Nitrat kan lagres i vakuoler i røtter, stengler og blad.

 Nitrat reduseres til ammonium i en totrinns reaksjon ved hjelp av enzymene:

1) Nitrat reduktase, en to-elektron reduksjon av nitrat (NO3-) til nitritt (NO2-).

NO3- + 2H+ + 2e- → NO2- + H2O

2) Nitritt reduktase, en seks-elektron reduksjon av nitritt til ammonium (NH4+):

NO2- + 6e- + 8H+ → NH4+ + H2O

Overgangen fra nitrat til nitritt og videre til ammonium trenger 10 elektroner (e-) og står for ca. 25% av energiforbruket i skudd og røtter, men nitrogen utgjør bare ca. 2% av den totale tørrvekt. Mange assimilasjonsreaksjoner skjer i stroma i kloroplastene hvor energi er tilgjengelig. Fotoassimilasjon er næringsassimilasjon koblet til fotosyntetisk elektrontransport. Det er nær kobling mellom nitrogenmetabolisme og fotosyntese, siden fotosyntesen bidrar med reduksjonskraft (redusert ferredoksin eller nikotinamid-adenindinukleotid(fosfat) i redusert form (NAD(P)H) som trengs for å redusere nitrat til ammonium. Nitrat reduktase i cytoplasma består av to identiske subenheter nneholder de tre prostetiske gruppene flavin adenin dinukleotid (FAD), hem-jern (cytokrom b557) og molybden-kofaktor (molybdopterin som er et molybdenkompleks bundet til pterin i et organisk molekyl). FADH2 i nitrat reduktase kan også redusere andre elektronekseptorer som ferrijern (Fe3+)-citrat. I nitrat reduktase er NADH den vanligste elektrondonoren, men røttene bruker NAD(P)H. FAD-domene mottar to elektroner fra NAD(P)H, og elektronene går deretter via hem-domene til molbydenkompleks og deretter til nitrat.

Det er sjelden nitritt akkumuleres i planten under normale betingelser noe som tyder på synkronisering av de to enzymaktivitetene.  Nitritt som er produktet fra nitrat reduktase går inn i plastider og omdannes til ammonium av nitritt reduktase.

Nitritt reduktase inneholder sirohem, binder ferredoksin og finnes i kloroplaster i bladene eller i plastider i røttene. Nitritt reduktase kodes fra cellekjernen og har N-terminal transitpeptid. Sammenlignet med nitrat reduktase som overførte 2 elektroner overfører nitritt reduktase 6 elektroner. Elektronene kommer fra redusert ferredoksin i fotosyntesen, i fargeløse plastider fra ferredoksin NADP+ reduktase. NAD(P)H fra pentosefosfatvei kan også brukes av nitritt reduktase. Kloroplaster og plastider i røttene har forskjellige former av nitritt reduktase, men begge består av en polypeptidkjede med to prostetiske grupper: jern-svovelklynge (Fe3S4) og hem.

   Nitrat og lys induserer transkripsjonen av nitritt reduktase mRNA, og endeproduktene asparagin og glutamin represserer induksjonen. Nitratassimilasjonen skjer både i røtter og skudd, men hvor aktiviteten er størst avhenger av planteart. Lupiner, erter og bønner har høyest nitratreduksjon i røttene, men hvitkløver, havre og mais har høyest nitratreduksjon i skuddet. Det er mange overgangsformer.

 C4-planter har både nitrat reduktase og nitritt reduktase i mesofyllcellene, men disse enzymene finnes ikke i slirecellene.  Reduksjonen av nitrat gir opptak av H+ og pH vil stige.

   Som en bieffekt av nitrogenassimilasjonen vil 0.02 til 0.2% av alt nitritt bli reduksert til lystgass (N2O) som virker som en drivhusgass.

 Det er ofte en sammenheng mellom aktiviteten til nitrat reduktase og mengden redusert nitrogen i blad. Grønne blad inneholder mer nitritt reduktase enn nitrat reduktase. Nitritt reduktase inneholder jernporfyrin. Genet for nitrat reduktase reguleres av nitratkonsentrasjon, lys, glutamin,  karbohydrater, cirkadiske rytmer og cytokinin. Reguleringen skjer både på transkripsjons- og translasjonsnivå. Rask regulering av nitrat reduktase via fosforylering og defosforylering. Nitrat reduktase kan fosforyleres og defosforyleres analogt med enzymet sukrosefosfat syntase.  Lys og karbohydrat aktiverer protein fosfatase som defosforylerer serin på nitrat reduktase. Mørke og magnesium (Mg2+) aktiverer en serin protein kinase og nitrat reduktase inaktiveres. Protein med fosforylert serin interagerer med 14-3-3 inhibitorprotein . Posttranslasjonskontroll skjer via 14-3-3 proteiner som bindes avhengig av fosforylering. Fosforylert nitrat reduktase er aktiv, men binding av 14-3-3 dimer er inaktiv og kan raskere degraderes av proteaser. mRNA til nitrat reduktase følger cirkadiske rytmer.

   Klorat (ClO3-) tas opp og reduseres til kloritt (ClO2-) av nitrat reduktase, og har vært brukt som ugrasdreper.

 Nitrat kan lagres i vakuolen hos nitrofile arter som meldestokk (Chenopodium album) og brennesle (Urtica dioica). Slike planter kalles nitratplanter og vokser på jord med sterkt nitrifikasjon nær kvist- og komposthauger f.eks. geitrams (Chamaenerion angustifolium) og  bringebær (Rubus idaeus) og mjødurt (Filipendula ulmaria). I området mellom skogkant og dyrket mark kan man finne nitratplanter, og mange av dem betraktes som ugras. Planter som vokser ved lave lysflukser i drivhus om vinteren kan inneholde høye konsentrasjoner med nitrat. Spinat inneholder mye nitrat og spinat bruker nitrat som osmoregulator hvor konsentrasjonen kan komme opp i 100 millimolar (mM).

   Salat og spinat som dyrkes med lite lys og høy tilførsel av nitratgjødsel kan inneholde skadelige menger nitrat. Leveren reduserer nitrat til nitritt som sammen med hemoglobin gir methemoglobin (“blue babies” og methemoglobineri). Nitrat kan også bli omdannet til karsinogene nitrosaminer. Ammoniakk (NH3) er giftig og ødelegger protongradienter, men vi blir advart via den kraftige ammoniakklukten. I gamle dager ble ammoniumkarbonat ((NH4)2CO3) brukt som “luktesalt” mot besvimelse).

Krutt, sprengstoff, ammoniumnitrat, nitroglycerin og TNT har en virkning basert på rask oksidasjon av nitrogen og svovel.

Ammoniumassimilasjon

Planter har et multifasisk opptak av ammonium. Uorganisk nitrogen i form av ammonium assimileres via enzymene glutamin syntetase (GS) og glutamin-oksoglutarat aminotransferase (GOGAT) inn i organiske forbindelser i plantene som aminosyrene L-glutamin og L-glutamat. Nitrogen kan deretter overføres til andre L-aminosyrer og brukes til syntese av nukleinsyrer, klorofyll og andre forbindelser som inneholder nitrogen.

Glutamin syntetase katalyserer omdanning av glutamat til glutamin i en ATP-avhengig reaksjon. Glutamin syntetase som har høy affinitet for ammonium (lav Km-verdi):

glutamat + NH4+ + ATP → glutamin + ADP + Pi

 I blad er det to isoenzymer av GS, en i cytosol og en i kloroplastene eller plastider i røtter. Cytosolformen av GS uttrykkes i spirende frø og i ledningsstrenger i skudd og røtter hvor det lages glutamin in intracellulær nitrogentransport. GS aktiveres av høy pH og høye konsentrasjoner av ATP og Mg2+. GS i rotplasmider gir amid-N, og GS i skudd reassimilerer ammonium fra fotorespirasjon. Lys og karbohydrater påvirker ekspresjon av GS i plastider, men har liten effekt på GS i cytosol.

 Det neste trinnet i ammonium assimilasjonen, glutamat syntase (GOGAT), katalyserer overføringen av amidgruppen (-NH2) fra glutamin til 2-oksoglutarat - et produkt fra Krebs-syklus.

Glutamat syntase også kalt glutamin:2-oxoglutarat aminotransferase (GOGAT) lager glutamat med hjelp av redusert ferredoksin (Fdred) i blad:

glutamin + 2-oksoglutarat + Fdred → 2 glutatmat + Fdoks

 Redusert ferredoksin får elektroner fra elektrontransporten i fotosyntesen og blir derved redusert. Etter at redusert ferredoksin har avgitt elektroner til reaksjonen blir det i oksidert form (Fdoks). NADH-GOGAT er vanligst i ikke-fotosyntetiserende vev i røtter og ledningsstrenger. I denne reaksjonen er det redusert NAD(P)H som er elektronkilde.  GS/GOGAT tar også hånd om de store nitrogenmengdene som frigis under fotorespirasjon. Plantene innholder to typer GOGAT, et NAD(P)H-avhengig (NAD(P)H-GOGAT) og et ferredoksinavhengig enzym (Fd-GOGAT). GOGAT i røtter assimilerer ammonium fra rhizosfæren og finnes i ledningsstrenger i blad som vokser. Glutamin syntetase hemmes av methionin sulfoximin og herbicidet phosphinothricin. Phospihithricin selges under varemerke Basta og danner grunnlag for en type genmodifiserte planter som tåler dette ugrasmiddelet.

    Ammonium som er blitt assimilert kan overføres til ketosyrer via transaminering. Aminotransferaser (transaminaser) er enzymer overfører nitrogen  fra et karbonskjelett til et annet. Det finnes flere forskjellige aminotransferaser , for eksempel aspartat aminotransferase, glutamat aminotransferase, alanin aminotransferase, greinete aminosyrer aminotransferase o.s.v. Transaminaser trenger vitaminet pyridoksalfosfat (vitamin b6) som kofaktor. Enzymene finnes i cytoplasma og alle organellene i cellen. Aminotransferasene er enzymer som kobler sammen nitrogen- og karbonmetabolismen via ketosyrer i glykolyse (pyruvat) og trikarboksylsyresuklus (oksaleddiksyre, 2-oksoglutarat). Det er i kloroplastene hvor det lages mest L-aminosyrer.

I mitokondrier og kloroplaster finnes enzymet glutamat dehydrogenase, som man opprinnelig trodde hadde ansvaret for assimilasjonen av ammonium. Det er imidlertid mer rimelig at enzymet har med nedbrytning av glutamat:

glutamat + H2O + NAD(P)+ ⇔ 2-oksoglutarat + NH4+ + NAD(P)H

Imidlertid, hvis det er høye konsentrasjoner av ammonium tilstede kan noe av dette assimileres av glutamat dehydrogenase. Det finnes flere isoenzymer av glutamat dehydrogenase. NAD-avhengig GDH i mitokondriene og NADP-avhengig GDH i kloroplastene. Glutamin, asparagin og arginin er viktige aminosyrer for transport og lagring av nitrogen. Asparagin (2N+4C) og glutamin (2N+5C) er amider som kobler karbon- og nitrogenmetabolismen. Asparagin ble isolert fra asparges første gang i 1806.

Asparagin syntetase katalyserer den ATP.avhengige reaksjonen:

glutamin + aspartat + ATP → asparagin + glutamat + AMP + PPi

hvor asparagin og glutamat er produkter, samt adenosinmonofosfat (AMP) og pyrofosfat (PPi).

Det er mer asparagin i mørke enn når plantene står i lys, og omvendt mer glutamin i lys enn i mørke. Effekten av lyset skjer via mengden karbohydrater. Høyt nivå av lys og karbohydrater hemmer uttrykk av gener som koder for asparagin syntetase, mens tilsvarende betingelser aktiverer GS-GOGAT. Ved store konsentrasjoner med ammonium kan ammonium erstatte glutamin som substrat for asparagin syntetase.

I proteinsyntesen blir de forskjellige aminosyrene koblet sammen med peptidbindinger (R1-CO-NH-R2). Proteiner er polypeptider som består av mer enn 100 aminosyrer.

L-aminosyrer i aminosyrefamilier

Bortsett fra hos noen bakterier som bruker D-aminosyrer eller alle aminosyrene som inngår i proteiner i L-formen, og viser også det evolusjonære slektskapet mellom alle organismer på Jorden, på samme måte som triplettene (kodonene) som koder for aminosyrene i proteinene. L-aminosyrer og D-aminosyrer er enantiomere (stereoisomere) former av molekylet

Proteinaminosyrene kan organiseres i aminosyrefamilier avhengig av i hvilken biosyntesevei de blir dannet:

Aspartatfamilien er aminosyrer laget fra L-aspartat (asparaginsyre): L-treonin, L-metionin, L-lysin, og de greinete aminosyrene L-isoleucin, L-valin og L-leucin. I tillegg asparagin

Aromatiske aminosyrerfamilien laget i shikimatbiosynteseveien:  L-fenylalanin, L-tyrosin og L-tryptofan.

Svovelaminosyrefamilien: L-metionin, og L-cystein, samt L-serin fra svovelassimilasjonen.

Glutamatfamilien av aminosyrer: L-glutamat, L-glutamin, L-prolin, L-arginin

Ornithinsyklus (ureasyklus)-familien : L-arginin

Histidinfamilien : L-histidin

Fotorespirasjonsfamilien av aminosyrer: L-glycin og L-serin som inngår i fotorespirasjon hos planter (C2-syklus).

Noen av L-aminosyrene som lages i plantene hører med til de essensielle aminosyrene som vi må få tilført via maten, enten direkte fra plantene eller indirekte via produkter fra plantespisere (herbivore).  

I mange av biosynteseveiene for aminosyrene er det mange mellomprodukter som er viktige i metabolismen, samt at L-aminosyrene er utgangsmateriale for tusenvis av andre kjemiske stoffer, og inngår blant annet i sekundæremetabolismen i planter, sopp og bakterier.

I tillegg lager plantene mange ikke-proteinaminosyrer, hvorav noen er giftige.

Metabolitter fra aminosyremetabolismen

L-aminosyren L-metionin blir brukt i Yang-syklus til å lage plantehormonet etylen. L-metionin i form av S-adenosylmetionin er en viktig metyldonor innen epigenetikk, og i biosyntesen av polyaminer.  De aromatiske aminosyrene blir brukt til å lage flavonoider og lignin, og hos dyr og mennesker er de utgangsmateriale for nevrotransmittorer av typen biogene aminer. Aminosyren L-glutamat kan også virke som en nevrotransmittor, og det samme gjelder gamma-aminosmøre (GABA) som blir laget via dekarboksylering av glutamat.

pH-regulering og opptak av nitrat og ammonium

Nitratopptak gir mer basisk rotmiljø (alkalisering) enten ved en H+/NO3- symport. Det mest sannsynlige er at to protoner kotransporteres sammen med nitrat inn i cellene.   Membranpotensialet på opptil -200 mV på innsiden av cellen laget H+ATPase, blir mer positiv når nitrat blir tatt opp. Opptak av ammonium gir en forsuring av rotsonen ved utskillelse av protoner i bytte mot ammonium, og tas opp i en H+/NH4+. Hos planter som ikke er surjordsplanter kan ammonium gi redusert vekst (ammoniumtoksisitet).

Kalsifuge planter, - planter som er tilpasset sur jord og lavt redokspotensial, slik som gran og lyngarter foretrekker ammonium som N-kilde, selv om de fleste planter vokser best hvis de får både ammonium og nitrat. Kalsikole, planter som foretrekker kalk og høy pH i jorda foretrekker nitrat.  Ammonium og nitrat står for 80 % av ioneopptaket av mineralnæringsstoffer.

    Store mengder nitrogen vil redusere knolldannelse hos potet og gir mye bladverk. Stopp i veksten av knollen pga rask økning i nitrogen induserer nyvekst i knollen og dannelse av stoloner på fra apeks på knollen. Avbrudd og nytilførsel av nitrogen gir kjedelignende poteter, eller utløpere fra potet (mann). Slike kjedepoteter kan  ofte sees etter midlertidige tørkeperioder, men skjer også ved høy temperatur, som raskt hemmer syntesen av stivelse og gir sukker i knollene.

Nitrogenfiksering hos erteplanter og rhizobia

Rhizobia er frittlevende gramnegative jordbakterier danner symbiose med arter i erteblomstfamilien (Fabaceae)og Parasponia i almefamilien (Ulmaceae), og omfatter slektene Rhizobium, Bradyrhizobium, Azorhizobium, Photorehizobium og Sinorhizobium.  Det dannes ikke nitrogenfikserende noduler hvis det er høyt innehold av ammonium og nitrat i jorda. Plantene lager organiske syrer til bakteriene og karbonskjeletter til transport av nitrogen. Bakterier fra slektene Rhizobium leguminosarum med biovarene phaseoli, trifolii og viciae inngår i nitrogenfikserende assosiasjon med henholdsvis bønner, kløver og erter.  Bradyrhizobium kan inngå i assosiasjon med Parasponia som ikke er en erteplante og Bradyrhizobium japonicum og Sinorhizobium fredii fikserer nitrogen hos sojabønne.  Azorhizobium danner symbiose med vannplanten Sesbania og Photorhizobium danner symbiose med vannplanten Aeschenomene.

    Nitrogenfikserende bakterier i symbiose med erteplanter kontrollerer oksygentilgangen til nitrogenase via det oksygenbindendeproteinet leghemoglobin med høy affinitet for oksygen i rotknollene (nodulene). Leghemoglobin ligner mer på myoglobin enn hemoglobin vi har i blodet,  og har fått navnet leg fra Leguminosae (erteblomstfamilien). Det har en rustbrun farge som kan observeres hvis man knuser de nitrogenfikserende rotknollene mellom fingrene. Plantene lager både hem og proteindelen til leghemoglobin.

Første trinn i infeksjonen er at mikrosymbionten kjenner igjen planten. Flavonoider f.eks lutein utskilles fra røttene hos erteplanter og virker i lave konsentrasjoner som et signal for kjemotaksis for frittlevende Rhizobium.   Flavonoidene stimulerer uttrykk av noduleringsgener (nod) i Rhizobium ved høyere konsentrasjoner av flavonoider nær jordoverflaten. Noduleringsgener kan klassifieres i vanlige nod-gener og vertsspesifikke nod-gener. Vanlige nod-gener i alle Rhizobia er nodA, nodB og nodC . nodD er konstitutivt uttrykt og genproduktet NodD regulerer transkripsjonen av andre nod-gener.   nod-genene lager et kjemisk motsignal kalt nod-faktorer. Nod-faktorene er morfogener som får planten til å starte et program for dannelse av rotnoduler. Nodfaktorene er signalstoffet lipokitinoligosakkarider i symbiosen som er oligomere av β-1,4- bundet N-acetylgukosamin bundet til en fettsyre. Disse gir krølling og strekking av rothår, og deling av celler i rotbarken (cortex). Noduleringsgenene nodA, nodB og nodC koder for henholdsvis enzymene nodA, nodB og nodC. (Genet skrives i kursiv og proteinet det koder for uten kursiv). nodA er en N-acetyltransferase som hekter på fettsyreacyl, nodB er kitin-oligosakkarid deacetylase som fjerner acetylgruppen fra terminal ikke-reduserende sukker, og nodC er kitin oligosakkarid syntase som hekter sammen monomere med N-acetylglukosamin. Vertspesifikke NodE og NodF bestemmer lengde og grad av metning av fettsyreacylkjeden. Vertsspesfikk biovar viciae lager C18:4 fettsyreacylgruppe og biovaren meliloti lager C16:2 fettsyreacylgruppe. nodL påvirker vertsspesifisiteten til nod-faktorene via substitusjon på reduserende og ikke-reduserende sukker i kitin.    Genene i planten som deltar i dannelsen av rotnoduler, nodulorganogenese,  kalles noduliner (Nod).

Induksjonen av noduleringsgener trengs for produksjon av sukkerbindende proteiner, lektiner, i rothårene og festing av bakteriene til celleveggen i rothårene. Rhizobia festet til rothår frigir nod-faktorer som gir krølling av rothår, og rhizobia blir lukket inne i et kompartment dannet fra det krøllete rothåret. Planten lager en infeksjonstråd som bakteriene kan følge inn i planten. Infeksjonstråden fylles med Rhizobia som deler seg. Infeksjonstråden er en tubulær utvidelse av plasmamembranen i planten laget av fusjon av vesikler fra Golgiapparatet. Infeksjonstråden fylt med rhizobia vokser i spissen ved tilførsel av vesikler. Celler i cortex nær xylem påvirkes av signalstoffer, dedifferensieres og danner et nodulprimordium som utvikler nodulen. Nukleosid-uridin diffunderer fra stele til cortex i protoxylemsoner i rota og stimulerer celledeling. Etylen lages i pericykel og diffunderer inn i cortex og blokkerer celledeling på motsatt side. Greining av infeksjonstråden i nodulen gjør at bakteriene infekterer mange celler. Nodulene får vaskulært vev. I tempererte områder får røttene f.eks. erter  lange noduler pga. nodulmeristem, mens tropiske soyabønner og peanøtter mangler nodulmeristem og får runde noduler.   

I spesielle nodulceller frigis bakteriene fra infeksjonstråden i plantenes cytoplasma og omgis av en planteavledet membran peribakteroidmembran= symbiosomembran.. I løpet av denne prosessen blir bakteriene bakteroider som er mange ganger større enn bakteriene og mangler cellevegg. En rotcelle kan inneholde opptil 20.000 bakterioder. På signal fra planten stopper bakteriene å dele seg og diffunderer til de nitrogenfikserende organellene bakteroider. Overgangen fra bakterier til bakterioder er koblet sammen med syntese av leghemoglobin, nitrogenase og andre nitrogenfikserende enzymer. Nitrogenfikseringen starter ca. 10-20 dager etter infeksjonensprosessen ble påbegynt. Det blir lav oksygenkonsentrasjon i nodulene (mikroaerofilt)  på grunn av leghemoglobin, gassdiffusjonsbarriere i cortex til nodulene og høy respirasjonsrate i bakteroidene som forbruker oksygen. Bakteroidene mottar dikarboksylsyrer fra planten.   Elektronoverføringene gir også mulighet for dannelse av skadelige oksygenradikaler. Nodulene inneholder enzymene i askorbat-glutathionsyklus som beskyttelse mot skadelige radikaler.  Produksjonen av ammonium (NH4+) går sakte, men blir kompensert med store mengder nitrogenase, opptil 20% av proteinet i bakteroidene.

Ammonium dannet under nitrogenfikseringen assimileres via enzymene GS/GOGAT. Amid-eksporterende planter finnes i tempererte områder, mens ureide-eksporterende planter har mer tropisk utbredelse. Assimilert ammonium fraktes opp i planten i form av aminosyrene og amidene  glutamin og asparagin. Planter med mer tropisk utbredelse f.eks. soyabønne (Glycine), peanøtter (Arachis), og Vigna frakter  nitrogen i form av ureider som lages fra oksidasjon av puriner. Ureiedene kan være allantoinsyre eller allantoin  som eksporteres via vedveveet (xylem) i ledningsvevet. Urinsyre omdannes i peroksisomer til allantoin. Allantoinsyre fra allantoin lages i endoplasmatisk retikulum. Aminosyrene citrullin blir laget fra ornithin i ornitinsyklus (ureasyklus).

 Høyt krav til fosfor gjør at mange erteplanter også har vesikulær-arbuskulær mykorrhiza. Nikkel trengs i hydrogenopptaks hydrogenase. Større mengder nitrat hemmer aktiviteten til nitrogenase. Nitrogenbærere i metabolismen er aminosyrene glutamin har 2N/5C, asparagin 2N/4C, arginin 4N/6C, samt ureidene allantoin og allantoinsyre har 4N/4C.

Ornithin-syklus, arginin, glutaminsyre (glutamat) og prolin

Glutaminsyre spiller en sentral rolle i assimilasjonen av nitrogen i form av ammonium inn i organiske forbindelser. Glutaminsyre ble første gang isolert av Ritthausen i 1866 ved hydrolyse av gluten fra hvete og derav navnet. Glutamin er amidet av glutaminsyre. Glutaminsyre er råmaterialet for andre aminosyrer ved å bidra med karbonskjeletter og nitrogen. Arginin, glutamin og asparagin er viktige for lagring og transport av nitrogen i planter. Arginin ble første gang oppdaget av Schulze og Steiger i 1886 og isolert fra kimplanter av lupiner. Nitrogenet frigis fra arginin i form av urea katalysert av enzymet arginase, og produktet er ornithin. Citrullin er en aminosyre som man fant store mengder av i saften av vannmelon (Citrullus vulgaris). Det skulle vise seg at citrullin var et mellomprodukt i biosyntesen av arginin i ornithin-syklus (Krebs-Henseleit syklus) oppdaget i 1932. Ornithin reagerer med karbamoylfosfat og gir citrullin. Citrullin omdannes deretter via argininosuccinat til arginin. Ornithin lages forøvrig fra glutamat via metabolismerekken glutamat, acetyl-glutamat, glutamat γ-semialdehyd, acetyl-ornithin og ornithin.I tillegg er arginin utgangsmateriale for å lage signalstoffet og radikalet nitrogenoksid (NO) katalysert av enzymet NO syntase. Arginin inngår også i opiner (octopin) laget av bakterien Agrobacterium tumefasciens.

Stressaminosyren prolin

Prolin lages fra aminosyren glutamat som omdannes først til glutamat semialdehyd som videre gir Δ-pyrrolin-5-karboksylat katalysert av Δ-pyrrolin-5-karboksylat syntetase. Δ-pyrrolin-5-karboksylat reduseres til prolin av Δ-pyrrolin-5-karboksylat reduktase. Prolin akkumuleres under forskjellige typer stress f.eks. saltstress og tørkestress. Man tenker seg at prolin virker som et osmotisk stoff i denne sammenheng. Abscisinsyre deltar i aktiveringen av Δ-pyrrolin-5-karboksylat syntase. Celleveggene inneholder protein med mye hydroksyprolin. Hvis det er stort behov for prolin til celleveggoppbygging kan argininkatabolisme via ornithin bidra med prolin.

Asparagin

Vauquelin og Robiquet fant i 1806 den første aminosyren som var asparagin og denne ble isolert fra asparges. Amidnitrogenet i glutamin kan overføres til aspartat katalysert av asparagin syntetase:

glutamin + aspartat + ATP → asparagin + glutamat + AMP + PPi

Enzymet finnes i cytosol i røtter og blad og i nitrogenfikserende rotnoduler. I mørke, hvor det blir lite karbonskjeletter i forhold til nitrogen, lages asparagin på bekostning av glutamin. Lys, som aktiverer glutamin syntease, hemmer både aktivitet og genuttrykk av asparagin syntetase.

Biosyntese av pyrimidiner og puriner i DNA og RNA

Orotat er et pyrimidin som lages fra CO2, aspartat, amid N i glutamin og bindes til 5-fosforibosyl-1-pyrofosfat som omdannes videre til UTP og CTP. Enzymene i biosynteseveien finnes i plastider. Puriner lages fra CO2, glycin, methenyl-tetrahydrofolinsyre (THF), formyl-tetrahydrofolinsyre, aspartat og glutamin. Base reagerer med fosforibosyl-1-pyrofosfat katalysert av en fosforibosyltransferase og danner ribonukleosid og pyrofosfat.

Tilbake til hovedside

Publisert 10. mars 2019 17:27 - Sist endret 13. mars 2019 12:52