Svovelassimilasjon

Svovel er et makronæringsstoff i planter og tas vanlig opp fra jorda som sulfat (SO42-). På samme måte som karbon og nitrogen må svovel være i redusert form før det kan inngå i organiske forbindelser. 

Svovel inngår i svovelaminosyrene cystein og methionin. Disulfidbindinger (-S-S-) i cysteinbro i protein er viktige for den tredimensjonale strukturen til proteiner. Oksidering av thiolgrupper i to cystein gir en disulfidbinding.  Frie -SH grupper kan være viktige for å opprettholde katalytisk aktivitet i enzymer. Det katalyttiske sete i enzymet kan også inneholde svovel. Jern-svovelproteiner har en rekke funksjoner i plantene bl.a. elektrontransport. Ferredoksin er en viktig elektrontransportør i plantenes fotosyntese. Svovel finnes også i koenzymer (koenzym A) og i vitaminer (biotin (vitamin B6, thiamin (vitamin B1). Acetylgruppen til koenzym A (-CO-CH3 ) brukes i Krebs-syklus eller fettsyremetabolismen. Svovel finnes som thiol (merkaptan) i både cystein og koenzym A, og som sulfid i aminosyren methionin.  Thioredoksin inngår i redoksreaksjoner som styrer aktiviteten til enzymer.

 Tripeptidet glutathion (γ-glu-cys-gly) er et viktig svovelreservoir og deltar i redoksreaksjoner i cellene og kan også brukes til transport av redusert svovel . Fytochelatiner som kan binde tungmetaller er av formen (γ-glu-cys)n-gly) n=2-11.  Svovel inngår i sekundærmetabolismen hos planter ved dannelse av glukosinolater (sennepsoljeglykosider/sulfamater). Glukosinolatene lagres i vakuolen og hydrolysen er katalysert av myrosinase som finnes i noen få celler (myrosinceller) i blad og frø. Ikkeprotein svovelaminosyren alliin (S-allyl-cystein sulfoksid) i hvitløk spaltes av enzymet alliinase når plantevevet skades. Andre eksempler på sulfoksider (RSOR) er methionin sulfoksid og cystein sulfoksid.  Brokkoli inneholder svovelforbindelsen sulforafan, som muligens kan motvirke kreft Det finnes mange eksempler på ikkeprotein svovelaminosyrer i planter f.eks. metylmetionin, djenkolsyre (djenkolbønner Pithecolobium lobatum), S-metylcystein, S-propylcysteinsulfoksid og S-metylcystein sulfoksid). Sulfolipider inneholder svovel i oksidert form. S-adenosylmetionin inngår som metyldonor i metyleringsreaksjoner. Både S-adenosylmethionin og metylmethionin er metylsulfoniumforbindelser. Svovelforbindelser gir en karakteristisk lukt fra bl.a. kål og løk. Polysakkaridsulfat og fenolsulfat er eksempler på sulfatestere. Cysteinsyre er en sulfonsyre. Sovel har flere stabile oksidasjonstrinn.

Svovel tas opp av røttene vesentlig i form av sulfat (SO42-). Sulfat kan reduseres i røttene eller bli transportert via vedvevet (xylemet) til bladene hvor  reduksjonen skjer i kloroplastene. Det meste av reduksjon og sulfatassimilasjon skjer i bladene.  Transporten over plasmamembranen er en SO42-/H+ symport. Plantene kan til en viss grad ta opp svoveldioksid (SO2) gjennom bladene og bruke det som svovelkilde. Forøvrig er høye konsentrasjoner av SO2 giftig for plantene. Svoveldioksid danner bisulfitt (HSO3-) i reaksjon med vann og bisulfitt kan hemme fotosyntese.

  Sulfat kan inkorporeres i sulfolipider uten reduksjon, men forøvrig må sulfat reduseres før det kan assimileres inn i organiske forbindelser. Sulfolipider finnes i tylakoidmembraner i kloroplaster.

  Svovelmangel gir redusert vekst, jevnt blekgule planter (klorose) på unge og eldre blad. Svovel kan til en viss grad retranslokeres via silvevet (floemet), men er ikke lett remobiliserbar.

   Under anaerobe forhold kan sulfat brukes som elektronakseptor av mikroorganismer, sulfatreduserende bakterier og bli omdannet til giftig hydrogensulfid (H2S). Det er en biogeokjemisk svovelsyklus. Fossilt brensel (olje, kull, naturgass) inneholder svovel og ved forbrenning dannes svoveldioksid (SO2). Svoveldioksid blir oksidert i atmosfæren til sulfat og er sammen med nitrat dannet fra oksidering av nitrogenoksider en viktig faktor i "sur nedbør".

Sulfatassimilasjon - svovel inn i organiske forbindelser

Sulfat tas opp i plantene sammen med protoner (H+).  ett molekyl sulfat sammen med 3H+, og opptaket er multifasisk (høy- og lavaffinitetssystemer) over et stort konsentrasjonsområde. Sulfattransportørene i membranen kodes av genfamilier. Planter inneholder sulfat permease, et protein med flere løkker gjennom membranen og kation kotransportør. Svovel må reduseres før det kan inngå i organiske forbindelser og i sulfatreduksjon trengs det 8 elektroner:

SO42- + ATP + 8e- → S2- + 4H2O + AMP + PPi

Sulfatreduksjonen er størst i bladene og reguleres både via enzymaktiviteter og transkripsjonsnivå.  Sulfid kommer inn i aminosyren cystein som en thiolgruppe. Sulfat er stabilt og må først aktiveres. Første trinnet i sulfatassimilasjonen er aktivering av sulfat (SO42-) med ATP, katalysert av ATPsulfurylase som erstatter to av fosfatgruppene på ATP med sulfat og gir adenosin-5-fosfosulfat (APS/5-adenylylsulfat) og pyrofosfat (PPi).

SO42- + ATP ⇔ APS + PPi

Enzymet som finnes både i cytosol og plastider påvirkes både  av lys og reduserte svovelforbindelser f.eks. cystein og redusert glutathion (GSH). Produktet pyrofosfat fjernes med pyrofosfatase og APS blir redusert eller sulfatert for å øke reaksjonshastigheten.  ATP sulfurylase kan også aktivere molybdat og selenat. Hos bakterier har ATP sulfurylase GTPase aktivitet, men dette mangler hos eukaryoter.   APS kan være substrat for syntese av enten 1) sulfatestere eller 2) inngå i sulfatreduksjon. En alternativ sulfatering av APS i cytosol er katalysert av APS kinase. For syntese av sulfatestere vil enzymet APS kinase fosforylere APS og lage fosfoadeninfosfosulfat (PAPS) i en ATP-avhengig reaksjon katalysert av APS kinase. Fra PAPS overføres aktivert sulfat til en hydroksylgruppe og gir en sulfatester.

APS + ATP ⇔ PAPS + ADP

Hos planter og alger er APS sulfatdonor i reduksjonen katalysert av APS sulfotransferase, et viktig reguleringsenzym i sulfatreduksjonen. Dette enzymet er også kalt APS reduktase.  Sulfat overføres fra APS sulfotransferase til en thiolforbindelse som virker som bærer og det dannes et thiosulfonat.

APS + tiolredusert → tiosulfonat + 5'AMP

Hvis redusert glutation (GSH) er bærer vil det dannes S-sulfoglutation. Overføringen av sulfat  til en tiolgruppe gir samtidig reduksjon av sulfat til sulfitt (SO32-). Den påfølgende reduksjon av bærerbundet sulfitt til sulfid S2- skjer via enzymet sulfitt reduktase eller organisk tiosulfat reduktase. Sulfitt reduktase katalyserer reaksjonen:

SO32- + tiosulfonat + 6 ferredoksinredusert → S2- + 6 ferredoksinoksidert

Redusert ferredoksin er elektrondonor. Hos bakterier er rekkefølgen APS kinase etterfulgt av PAPS reduktase, men hvorvidt dette skjer hos planter er usikkert. En tiolavhengig APS reduktase er også mulig:

APS + 2GSH → SO32- + GSSG + AMP + H+

GSH er glutation i redusert form, GSSG er to molekyler gluation koblet sammen i en disulfidbinding. 

 Siste trinn i sulfatreduksjonen er at sulfidgruppen (S2-) overføres til O-acetylserin. O-acetylserin lages fra aminosyren L-serin og acetyl-CoA katalysert av serin acetyltransferase. O-acetylserin får overført sulfid, og spaltes til acetat og aminosyren cystein, som er det første stabile produkt i sulfatreduksjonen. Trinnet er katalysert av cystein syntase (O-acetylserin thiol-lyase).

O-acetylserin + S2- → cystein + acetat

Svovelgruppen i cystein kalles thol og virker som elektrondonor (nukleofil). Ved biosyntesen av aminosyren methionin ved transsulfurering overføres svovelgruppen fra cystein til homoserin-4-fosfat som omdannes til cystathionin. Methionin kan omdannes til metyldonorene S-adenosylmethionin og metylmethionin (vitamin U). S-adenosylmethionin kan brukes til å lage plantehormonet etylen og polyaminer, og fungerer som metyldonor i metyleringsreaksjoner.

Biosyntese av svovelaminosyren L-metionin

Metionin er en av de nødvendige eller essensielle aminosyrene i ernæringen hos dyr og mennesker. Aminosyren methionin lages fra cystein. Først reagerer cystein med O-fosfohomoserin katalysert av cystathionin γ-syntase og produktet er cystathionin. Deretter spaltes cystathionin av enzymet cystathionin-β-lyase til homocystein, pyruvat og ammonium. En metylgruppe overføres til homocystein katalysert av methionin syntase. Metylgruppen kommer fra S-metyltetrahydropteroyltriglutamat.

Syntese av tripeptidet glutation - et reservoir for redusert svovel

 Syntesen av tripeptidet glutation (glutamat-cystein-glycin) skjer i to trinn. Først lages glutamylcystein fra aminosyrene cystein og glutamat, katalysert av γ-glutamylcystein syntetase :

cystein + glutamat → γ-glutamylcystein

Aminosyren glycin kobles til i neste trinn katalysert av glutation synthase, et enzym som trenger magnesium. Det er mye glutathion i kloroplasten, opptil mM konsentrasjoner. Glutathion har en viktig funksjon sammen med askorbat i kloroplasten (askorbat-glutathion syklus). Glutathion er også et viktig lager for redusert svovel og er forkomponent for fytochelatiner. Glutathion i redusert form skrives som GSH og som oksidert disulfid GSSG.

Glutathion binder seg til elektrofile stoffer som ugrasmidler og xenobiotika katalysert av enzymet glutahion S-transferase. Homoglutathion finnes hos arter i erteblomstfamilien (Fabaceae) og inneholder β-alanin i stedet for glycin. Hydroksymetylglutathion finnes i grasfamilien (Poaceae) og inneholder serin i stedet for glycin. Glutathion virker som signalstoff og koordinerer absorbsjonen av sulfat i røtter og assimilasjon av sulfat i skuddet.

Metallothioneniner og fytochelatiner - svovelproteiner og peptider som binder tungmetaller

Metallothioneniner er svovelrike proteiner med mye cystein og som kan binde tungmetaller. Fytochelatiner er peptider som kan binde tungmetaller og er dannet av aminosyrene cystein, glutamat og glycin (γ-glutamat-cystein)n-glycin, n=2-11). Syntesen av fytochelatiner som lagres i vakuolen induseres av tungmetaller.

Tioredoksiner - aktivering og inaktivering av enzymer

Thioredoksiner er en gruppe lavmolekylære proteiner som inneholder to cystein som danner en redoksaktiv intermolkylære disulfidbro. Thioredoksin kan reversibelt enten oksideres eller reduseres. Redusert thioredoksin aktiverer fruktose-1,6-bisfosfatase og flere enzymer i Calvinsyklus. Både redusert ferredoksin og NADPH benyttes i reduksjon av thioredoksin.

Camalexin - et fytoaleksin som inneholder svovel

Camalexin er et indolderivat som inneholder en sidegruppe med svovel. Biosyntesen av dette fytoaleksinet aktiveres under stressbetingelser.

Dimetylsulfid fra hav

Alger kan lage dimetylsulfonpropionsyre som når det skilles ut i havvannet kan omdannes til dimetylsulfid som er flyktig og deltar i dannelsen av skyer og således påvirke klima.

Leustek, T. & Saito, K.: Sulfate transport and assimilation in plants. Plant Physiol. 120 (1999) 637-643.

Tilbake til hovedside

Publisert 19. mars 2019 15:06 - Sist endret 19. mars 2019 15:37