ASIMILACIJA AZOTA,

SUMPORA I FOSFORA

• Više biljke, kao autotrofni organizmi, mogu da

sintetišu organske supstance iz neorganskih, koje

usvajaju uglavnom iz zemljišta.

• Inkorporacija mineralnih elemenata (nutrijenata,

hranljivih supstanci za biljke) u organska jedinjenja

kao što su pigmenti, enzimski kofaktori, lipidi,

nukleinske kiseline i aminokiseline, tj. jedinjenja

koja su od krucijalnog značaja za život biljaka,

označava se terminom asimilacija nutrijenata.

• Asimilacija ugljenika u organska jedinjenja (šećere i

druge ugljene hidrate) obavlja se u procesu

fotosinteze.

• Za biljke je, međutim, od velikog značaja i

asimilacija azota, sumpora i fosfora.

• Procesi redukcije nitrata i nitrita i redukcije sulfata i sulfita, koji

su deo asimilacije azota i sumpora kod viših biljaka, zajedno

sa fotosintezom čine najvažnije metaboličke procese kod

biljaka. Smatra se da ti procesi čine biljke autotrofima i da su specifični za biljke.

• Asimilacija azota i sumpora zahtevaju niz biohemijskih

reakcija koje spadaju u reakcije sa velikim energetskim zahtevima (za njih se troši mnogo molekula ATP-a).

• Za asimilaciju azota iz nitrata (NO3-), pri čemu se azot u formi nitrata

konvertuje u energijom bogatiju formu nitrita (NO2-), a zatim u

energijom još bogatiju formu amonijuma (NH4+) i najzad u amidni oblik

(NH2) azota u sastavu glutamina, potrebna je energija ekvivalentna

onoj koju sadrži 12 molekula ATP po jednom atomu azota koji se

asimiluje.

• Za proces biološke fiksacije azota (konverzija N2 u NH3), kod biljaka

koje zahvaljujući simbiozi sa bakterijama diazotrofima imaju tu

mogućnost, zajedno sa potonjom asimilacijom amonijaka u

aminokiseline potreban je utrošak energije ekvivalentne onoj koju

sadrži 16 molekula ATP, po svakom atomu azota koji se asimiluje.

• Za asimilaciju SO42-

u aminokiselinu cistein, posredstvom dva puta

pronađena kod biljaka, troši se ekvivalent energije koji sadrži 14

molekula ATP.

• Asimilacija drugih nutrijenata, a naročito katjona kao što su Ca2+

, Mg2+

i Mo6+

, potrebno je formiranje kompleksa sa organskim jedinjenjima

(Ca2+

se vezuje za pektine ćelijskog zida, Mg2+

za hlorofil, a Mo6+

za

enzime kao što su nitrat reduktaza i nitrogenaza), koji su veoma

stabilni. Uklanjanje nutrijenata iz tih kompleksa obično dovodi do

gubitka funkcije organskih jedinjenja koja su u kompleksu sa

nutrijentima.

• U biosferi se nalazi više različitih oblika azota: kao gas,

molekularni N2 (oko 78%) u atmosferskom vazduhu, u obliku

neorganskih jona NO3- i NH4

+ ulazi u sastav zemljišta, kao

sastojak mnogih organskih jedinjenja rasprostranjen je u celom

živom svetu.

• Svi oblici azota se u prirodi neprekidno transformišu jedan u

drugi i te promene su povezane u ciklus azota.

• Za većinu živih organizama najveći rezervoar azota (vazduh)

nije direktno dostupan. Snabdevanje azotom iz atmosfere

podrazumeva raskidanje izuzetno stabilne trostruke kovalentne

veze između dva atoma azota u molekulu gasovitog azota,

kako bi nastali amonijum (NH4+) i nitratni (NO3

-) joni. Te hemijske

reakcije su poznate pod nazivom fiksacija azota i mogu da se

odvijaju i industrijskim (Haber-Bosch-ov proces proizvodnje amonijaka) i prirodnim (električna pražnjenja u atmosferi,

fotohemijske reakcije i biološka fiksacija) putem.

Asimilacija azota

• Više biljke dobijaju azot isključivo iz zemljišta na kome žive.

• Blizu 90% azota u zemljištu se nalazi u obliku organskih azotnih jedinjenja.

• Različite bakterije i gljivice razlažu organska jedinjenja u procesu mineralizacije ili amonifikacije, pri čemu se obrazuje amonijak.

• Amonijumovi joni su podložni hemosintetičkoj oksidaciji koju obavljaju bakterije:

Nitrosomonas oksiduje NH4+ u NO2

-

Nitrobacter oksiduje NO2- u NO3

-

• Nitrat koji na taj način nastaje, sa nitratom koji potiče iz drugih izvora (veštačka đubriva i dr.), predstavlja najvažniji oblik azota koji biljke primaju .

• Količina nitrata u zemljištu nije stabilna - gravitaciona voda spira nitrate u dublje slojeve zemljišta, zbog čega oni postaju nedostupni za biljku (u okeanima se to takođe dešava povremeno, ali, naravno, na drugi način)

• Denitrifikacija (Micrococcus denitrificans - prevodi nitrate u molekulski N2 i vraća azot u atmosferu).

• Kad se azot fiksira u amonijum i nitrat,

on ulazi u ciklus azota i može da

pređe kroz više organskih i

neorganskih formi pre nego što se

ponovo vrati u oblik molekularnog

azota.

• Biljkama i životinjama je dostupan

azot u obliku nitrata i amonijuma.

• Ukoliko količina usvojenih (korenom)

nitrata prevazilazi kapacitet biljke da

ih asimiluje, nitrati se akumuliraju u

biljci i ona može i da ih skladišti i da

ih transportuje iz tkiva u tkivo bez

štetnih posledica. Međutim, prevelike

količine nitrata u biljkama imaju

štetne efekte na biljojede.

• Akumulacija amonijum jona u biljkama je toksična i za biljke i za

biljojede. Oni su dekuplujući agensi u fotosintezi i disanju (rasipaju

gradijent protona na tilakoidnim membranama i unutrašnjim

membranama mitohondrija). Zbog toga ih biljke ili asimiluju blizu mesta

usvajanja ili deponuju u vakuolama.

Biološka redukcija nitrata i nitrita

• Biljke usvajaju nitrate iz zemljišta,

korenom, aktivnim transportom

kroz ćelijske membrane.

Transport pripada sekundarnom

aktivnom transportu –

kotransporteri obavljaju simport

protona i nitrata iz apoplasta u

citoplazmu.

• NO3- mora da se redukuje da bi

se asimilovao, a redukcija se

odvija u dva stupnja: 1) nitrat se

najpre redukuje u nitrit, a zatim

se 2) nitrit redukuje u

amonijumov jon.

• Ove procese, koji pretstavljaju

prvi korak u asimilaciji azota,

katalizuju dva enzima, nitratna

i nitritna reduktaza.

Gde se u biljci odigrava biološka redukcija nitrata i nitrita?

• Redukcija nitrata može da se obavi u korenu, gde

se izgrađuju aminokiseline i amidi, koji se u stablo

transportuju putem ksilema.

• Nitratni jon može i da bude transportovan u listove,

u kojima se onda obavljaju redukcija nitrata i

sinteza organskih jedinjenja.

• Dva ekstremna primera su biljke Lupinus albus i

Xanthium strumarium. Kod prve se više od 90%

usvojenih nitrata redukuje u korenu, a korenovi

druge vrste gotovo uopšte ne redukuju nitrat, nego

se ovaj jon transportuje u listove.

• Kod jedne iste biljke raspodela asimilacije azota

između korena i lista može da varira, zavisno od

stadijuma razvića ili nekih spoljašnjih činilaca .

• Pri niskoj koncentraciji nitrata (oko 1 mol m-3),

kakva se obično nalazi u prirodi, asimilacija u

korenu je znatna u odnosu na list. Pri većoj

koncentraciji nitrata (oko 20 mol m-3), koja se

postiže primenom đubriva, asimilacija u listovima se

značajno povećava i može da prevaziđe onu u

korenu.

U korenu se deo

aminokiselina koristi za

sinteze proteina, a deo se transportuje ksilemom u

nadzemne delove biljke.

Razlikuju se dve grupe

biljaka po tome u kom

organskom obliku

pretežno transportuju azot

ksilemom: 1) biljke kod

kojih su glavni transportni

oblik azota amidi (asparagin i glutamin) i 2)

biljke koje transportuju

azot u obliku ureida

(alantoin, alantoinska

kiselina i citrulin).

1) Redukcija nitrata u nitrite

• Redukcija nitrata u nitrite dešava se uvek u citoplazmi (bez obzira na to da

li se odvija u ćelijama korena ili ćelijama lista).

• Reakciju katalizuje enzim nitratna reduktaza (NR).

• Donor elektrona za redukciju nitrata može biti redukovani NADPH ili NADH.

Izoforme NR se razlikuju po tome da li elektrone primaju samo od NADH ili

i od NADH i od NADPH (ove druge su zastupljene u tkivima koja nisu

zelena, tkivima korena napr.)

• NR je dimer, sastavljen iz dve identične subjedinice, od kojih svaka nosi

po 3 prostetične grupe: FAD (flavin adenin dinukleotid), hem (u sastavu

citohroma b557) i molibdenski kofaktor (MoCo; molibden vezan za pterin).

• Domeni polipeptida za koje se vezuju prostetične grupe razdvojeni su

domenima koji ih spajaju (spojnice I i II), koji su veoma varijabilni po

primarnoj strukturi.

• Na enzimu postoje dva aktivna mesta – za jedno (na C-terminusu) vezuje

se NAD(P)H, a za drugo (na N-terminusu) nitrat.

• NR funkcioniše kao elektron-transportni lanac – prenosi 2 elektrona sa

NAD(P)H, na FAD, zatim na gvožđe hema, pa na molibden MoCo, koji

prima ta dva elektrona i redukuje nitrat do nitrita.

• Redukciju nitrata inhibiraju cijanid i azid (inhibitori disanja).

• NR je inducibilan enzim (supstratna indukcija enzima).

• Nitrati, svetlost, citokinini (grupa biljnih hormona) i ugljeni hidrati

učestvuju u regulaciji aktivnosti nitratne reduktaze na transkripcionom i

translacionom nivou. Nitrati stimulišu ekspresiju gena za NR (supstratna

indukcija enzima), a svetlost i nivoi šećera u ćeliji utiču na aktivnost

ovog enzima posredstvom fosforilacije i defosforilacije.

Dnevni (cirkadijalni) ritam asimilacije azota

2) Redukcija nitrita u amonijum

• NO2- je veoma reaktivan i potencijalno toksičan jon, pa se iz citoplazme

odmah transportuje u plastide, gde se redukuje do amonijum jona.

• Redukciju nitrita obavlja enzim nitritna reduktaza (NiR). Ovaj enzim se

nalazi isključivo u plastidima, i to u hloroplastima ćelija lista i u

proplastidima ćelija korena.

• Nitritna reduktaza obavlja prenos 6 elektrona na nitrit, pri čemu se ne

pojavljuju međuprodukti, nego se odmah dobija amonijumov jon.

• NiR je monomerni protein sa dve prostetične grupe: 4Fe-4S centar i

sirohem (specijalizovani hem).

• Donor elektrona je redukovani feredoksin (Fdred) koji elektrone dobija ili

od P700, u fotosintezi, ili od NADPH koji nastaje u oksidativnom

pentoznom ciklusu. U ćelijama korena, gde nema hloroplasta i

redukovanog feredoksina, ulogu donora ima protein sličan feredoksinu

koji elektrone prima od NAD(P)H koji nastaje u procesu disanja.

• Geni za NiR nalaze se u jedru, a enzim se sintetiše u citoplazmi.

• Nitrati i svetlost indukuju ekspresiju gena za NiR, a aspasagin i glutamin

utiču na represiju tih gena.

sirohem

Asimilacija amonijumovih jona • Azot se ugrađuje u organska jedinjenja samo u obliku amonijumovih

jona, koje biljka ili usvaja iz zemljišta ili dobija redukcijom nitrata i nitrita.

• Značajan izvor amonijum jona kod C-3 biljaka je fotorespiracija.

• Amonijum joni mogu biti i proizvod katabolizma azotnih jedinjenja.

• Akumulirani amonijum joni su toksični za fotosintezu, pa se onda odmah

asimiluju ili se deponuju u vakuoli.

• Asimilacija amonijum jona u azotna organska jedinjenja uvek ide preko

amonokiselina.

• Za sintezu aminokiselina potrebni su: amonijum joni, ketokiseline, ATP i

reduktanti.

• Biosinteza aminokiselina zavisi od fotosinteze i disanja.

• Primarna sinteza aminokiselina podrazumeva cikličan proces u kojem se

amonijum grupa vezuje za glutaminsku kiselinu pri čemu nastaje

glutamin, koji opet transaminacijom (uz prisustvo α keto glutarne

kiseline) može da da dve glutaminske kiseline. Za proces su potrebni ATP

i dva enzima – glutamin sintetaza (GS) i glutamat sintaza (GOGAT) – koji

čine sistem GS/GOGAT.

• Pošto je glutaminska kiselina prva aminokiselina koja nastaje

asimilacijom amonijum jona, ona se naziva primarnom aminokiselinom.

Ona i glutamin su davaoci NH2 grupe za sve ostale aminokiseline, kao i

izvor organskog azota za sintezu složenijih organskih azotnih jedinjenja.

• GOGAT elektrone prima od NAD(P)H u plastidima tkiva koja ne

fotosintetišu (u korenu) ili od redukovanog feredoksina u

hloroplastima tkiva koja fotosintetišu (u listu).

• Postoje najmanje dva sistema GS/GOGAT u biljnim ćelijama. Jedan

ima izoenzim GS2, koji se nalazi u plastidima ćelija listova i korena.

Taj enzim koristi ATP iz fotosinteze (ili glikolize u korenovima) i

amonijum jone koji nastaju redukcijom nitrita ili u fotorespiraciji. GS2

ima visok afinitet ka amonijum jonima, vezuje ih i sprečava njihovo

štetno dejstvo na fotosintezu. Drugi GS/GOGAT sistem ima izoenzim

GS1 koji se nalazi u citoplazmi, koristi ATP iz glikolize i amonijum jone

koji se usvajaju iz zemljišta ili nastaju u katabolizmu azotnih organskih

jedinjenja.

• GS se nalazi i u citoplazmi i u plastidima, ali je kontrola ekspresije

gena za te različito locirane enzime različita. Svetlost i nivoi ugljenih

hidrata utiču na ekspresiju GS koje su aktivne u plastidima, dok ne

utiču značajno na citosolnu GS.

• Kad se jednom asimiluje u glutamat i glutamin, azot se ugrađuje u

druge aminokiseline u reakcijama transaminacije koje katalizuju

enzimi aminotransferaze (prenose amino grupe).

• Aminotransferaze imaju kao kofaktor piridoksal fosfat (vitamin B6) i

nalaze se u: citoplazmi, mitohondrijama, hloroplastima,

peroksizomima i glioksizomima.

• Sve aminokiseline nastaju transaminacijom iz 3 ketokiseline

(piruvat, oksaloacetat i α – ketoglutarat) ili od intermedijera u

metabolizmu ugljenih hidrata.

Piruvat → alanin, valin, leucin i izoleucin → cijanogeni glukozidi

Oksaloacetat → asparaginska kiselina, lizin, treonin i metionin → purin, alkaloidi, etilen, poliamini

α–ketoglutarat → glutaminska kiselina, arginin, prolin,

hidroksiprolin, ornitin, citrulin → 5-ALA, pirimidin, alkaloidi,

osmoprotektanti, strukturni proteini ćelijskog zida

Glikolat → glicin, serin, cistein (fotorespiracija) → purin

Eritrozo-4-fosfat i PEP → fenilalanin, tirozin, triptofan (put

šikiminske kiseline) → indolna jedinjenja, auksini, sekundarni

metaboliti, fenolna jedinjenja, flavonoidi, alkaloidi, lignin

Asimilacija sumpora • U prirodi postoji i kruženje sumpora (ciklus sumpora).

• Sumpor se u zemljištu nalazi u obliku različitih mineralnih soli i

organskih jedinjenja. Sumporni gasovi se nalaze u atmosferi.

Industrijalizacija i sagorevanje fosilnih goriva dovode do

aerozagađenja sumpornim jedinjenjima kao što su SO2 i H2S , koji u

dodiru sa vodom grade sumpornu kiselinu i dospevaju u zemljište

preko kisele kiše. Svi ovi oblici sumpora su dostupni biljkama (čak i

SO2 koji ulazi kroz stome, može se iskoristiti, ali u velikim dozama

dovodi do propadanja tkiva jer se konvertuje u sumpornu kiselinu) i one ih mogu koristiti.

• Sumpor ulazi u sastav većeg broja organskih jedinjenja koja su od

vitalnog značaja za biljke: aminokiseline cistein i metionin, CoA,

vitamini tiamin i biotin, sulfolipidi, proteini koji sadrže fero-sumporni

centar i učestvuju u prenošenju elektrona, glutation itd.

• Za funkcionisanje proteina od naročitog su značaja disulfidne

veze.

• Sulfatni jon je najčešći oblik sumpora koji biljka usvaja iz zemljišta.

Biološka redukcija sulfata i sulfita

• Usvajanje sulfata (SO42-

) iz zemljišta u ćelije korena je aktivan proces,

pripada sekundarnom aktivnom transportu i u njemu učestvuje

kotransporter koji obavlja simport protona (niz gradijent koncentracije) i

sulfata (uz gradijent koncentracije).

• Sulfati se akumuliraju u vakuolama ili podležu procesu redukcije, koja

prethodi asimilaciji u organska jedinjenja.

• Biološka redukcija sulfata je analogna redukciji nitrata i samo su biljke u

stanju da je obave. Iako je samo 0,2% redukcije CO2 i 20 puta manja od

redukcije nitrata, ona je isto toliko važna kao i druge dve biološke

redukcije i pripada procesima koji su bitni za autortofiju biljaka.

• Sulfatni jon je inertan i njegovoj redukciji

prethodi aktivacija (vezivanje za ATP), a

zatim sledi njegova redukcija prvo do

sulfita (2 elektrona), pa potom redukcija

sulfita do sulfida (6 elektrona).

• Dva ključna jedinjenja u procesu

redukcije sulfata do sulfida su APS i PAPS.

• Veliki značaj ima i tripeptid (Glu-Cys-Gly)

glutation, koji je i transportni oblik

asimilovanog, organskog sumpora.

• Asimilacija sulfida podrazumeva

vezivanje za serin (zamenu acetil grupe

SH grupom), pri čemu nastaje

aminokiselina cistein. Cistein se

konvertuje u metionin.

• Cistein je toksičan u većim količinama i

odmah se ugrađuje u organska jedinjenja,

pre svih u glutation.

• Redukcija sulfata i sulfita

dešava se u hloroplastima

ćelija lista (mezofilnih kod C-3

biljaka, a ćelija sare

provodnih snopića kod C-4

biljaka) i plastidima ćelija

korena.

• Listovi su aktivniji u asimilaciji

sumpora od korenova, zato

što fotosinteza obezbeđuje

velike količine redukovanog

feredoksina (donor elektrona),

a fotorespiracija znatne

količine serina (iz kojeg

nastaje cistein).

• Asimilovani sumpor se iz

listova transportuje floemom

do mesta u biljci gde je

intenzivna sinteza proteina

(vrhovi stabla i korena,

plodovi itd), uglavnom u

obliku glutationa.

Asimilacija fosfora

• Kao i u slučaju azota i sumpora, u prirodi postoji ciklus fosfora.

• Fosfor se usvaja iz zemljišta u obliku fosfata (HPO42-

), sekundarnim aktivnim

transportom (kotransporteri obavljaju simport fosfata i protona).

• Za razliku od azota i sumpora, fosfor se asimiluje u organska jedinjenja kao fosfat, bez

prethodne redukcije.

• Prvi stupanj usvajanja fosfora je vezivanje fosfata za inozitol (estarske veze sa svih 6

OH grupa inozitola), pri čemu nastaje fitinska kiselina. Soli fitinske kiseline sa

kalcijumom i magnezijumom su fitini. Fitini se nalaze u većim količinama u semenima

i plodovima biljaka i predstavljaju rezervu neorganskog fosfata i dvovalentnih

katjona.

• Prvo organsko jedinjenje koje sadrži fosfate i ima metaboličku funkciju je ATP. Sinteza

ATP-a obavlja se kod biljaka: u hloroplastima (fotosintetička fosforilacija),

mitohondrijama (oksidativna fosforilacija i Krebsov ciklus) i citoplazmi (glikoliza).

• Fosfati učestvuju u estarskim i anhidridnim vezema, koje pri hidrolizi oslobađaju veliku

energiju, zbog čega se smatraju najvažnijim načinom transformacije i prenosa

energije u ćeliji.

• Fosfor ulazi u sastav mnogih važnih organskih jedinjenja: nukleotida i nukleinskih

kiselina, fosfolipida, fosforilisanih šećera, koenzima (NAD, NADP i FAD).

• Fosfati mogu imati i regulatornu funkciju u nekim metaboličkim procesima (kao što je

sinteza skroba, na primer).

BIOLOŠKA FIKSACIJA AZOTA • Ima značajno mesto u ciklusu azota.

• Podrazumeva redukciju atmosferskog azota (N2) do amonijum jona (NH4+).

• Sposobnost biološke fiksacije azota ograničena je isključivo na

prokariotske organizme, ali neke više biljke, zahvaljujući simbiozi sa njima,

mogu da koriste proizvode fiksacije N2. U ovakvoj simbiozi mikroorganizmi

obavljaju redukciju atmosferskog azota, a biljka-domaćin prihvata

amonijum jon, asimiluje ga i mikroorganizme snabdeva organskim

jedinjenjima.

• Organizmi koji fiksiraju atmosferski azot nazivaju se diazotrofima.

• Diazotrofi pripadaju različitim taksonima i, osim fiksacije azota, nemaju

mnogo zajedničkih osobina. Među njima se nalaze cijanobakterije,

aktinomicete i bakterije različitih rodova, autotrofne i heterotrofne,

anaerobne i aerobne. Dele se u dve osnovne grupe:

slobodni diazotrofi (obligatni aerobi, aerobi, fakultativni anaerobi, obligatni

anaerobi)

simbiotički diazotrofi - Rhizobium, Bradyrhizobium, Azorhizobium – simbioza

sa biljkama iz reda Fabales (leguminoze: grašak, pasulj, bob, soja, kikiriki,

naut, detelina, lucerka); Frankia (aktinomiceta) – simbioza sa drvećem i

žbunjem (aktinoriza); Nostoc, Anabaena (cijanobakterije) - simbioza sa

biljkama iz rodova Cycas i Ceratozamia, Azolla (paprat), Anthoceros

(mahovina) i mnogim lišajima.

Frankia alni - Alnus glutinosa (Betulaceae) aktinoriza

• Slobodni diazotrofi koji ne žive u anaerobnim uslovima moraju za fiksaciju N2 da

obezbede takve uslove kako bi proces fiksacije mogao da se odvija.

• Cijanobakterije (Nostoc, Anabaena, Calothrix) mogu da fiksiraju azot i kao slobodni

oblici. Kod njih se anaerobni uslovi obezbeđuju prostornim razdvajanjem fiksacije

N2. U njihovim specijalizovanim ćelijama, heterocistama, se odvija fiksacija azota.

• Heterociste imaju zadebljale ćelijske zidove, nepropustljive za O2. U njihovim

membranskim sistemima nema PSII, pa pri transportu elektrona ne proizvode

kiseonik i obavljaju samo ciklični transport elektrona, sintetišući samo ATP.

Heterociste nemaju enzime reduktivnog pentoznog ciklusa, ali je oksidativni

pentozni ciklus vrlo aktivan – u njemu nastaje NADPH koji predaje elektrone

feredoksinu, neposrednom donoru elektrona za fiksaciju azota. N2 ulazi u

heterociste kroz plazmodezme, a O2 koji tako uđe, odmah se troši u veoma

intenzivnom procesu disanja.

• Kod ovih diazotrofa svetlost je uslov za fiksaciju azota, kao i za fotosintezu u drugim

ćelijama.

Simbiotički diazotrofi

• Simbioza između leguminoza i rizobija nije obavezna.

• Bakterije (tri roda - Rhizobium, Bradyrhizobium, Azorhizobium) koje

fiksiraju azot, a ulaze u simbiozu sa biljkama, žive inače (u odsustvu

biljaka-domaćina i pri dobroj snabdevenosti zemljišta azotom) kao

heterotrofni, slobodni oblici u zemljištu i tada ne fiksiraju azot.

• Biljke-domaćini mogu da rastu i bez simbioze sa diazotrofima i njihovo

klijanje nije pod kontrolom simbionata.

• Ako na zemljištu raste biljka koja je njihov potencijalni domaćin i ako je

količina azota u zemljištu mala, onda dolazi do specifičnog oblika

simbioze, koja podrazumeva infekciju biljke bakterijama i formiranje

posebnih organa na korenovima biljke (kvržice, nodule).

• Fiksacija azota kod leguminoza dešava se, prema tome, samo u

nodulama na korenovima biljaka.

• Infekcija bakterijama i formiranje nodula su nezavisni procesi koji se

dešavaju paralelno, a diazotrofi indukuju biljke da formiraju nodule na

korenovima.

• Većina vrsta navedena tri roda diazotrofa ima svoje specifične

domaćine po kojima dobijaju i ime.

• Uspostavljanje simbioze zahteva razmenu signala između potencijalnih

simbionata.

• U razmeni signala ulogu imaju specifični biljni i bakterijski geni – biljni

nodulin (Nod) geni koji se eksprimiraju samo u nodulama i bakterijski

nodulacioni (nod) geni koji učestvuju u formiranju nodula. Svi nod geni

osim jednog su inducibilni.

• Proces formiranja simbioze počinje hemotaksijom rizobija ka korenovima

biljke domaćina. Ovaj lokomotorni pokret bakterija izazvan je hemijskim

supstancama koje korenovi u određenoj fazi razvića biljke oslobađaju u

zemljište (flavonoidi i betaini). Te supstance aktiviraju prvo nodD gen, a on

dalje aktivira sve ostale nod gene.

• Proizvodi aktivnosti nod gena su proteini koji učestvuju u biosintezi Nod

faktora. Nod faktori su derivati ugljeno-hidratnih komponenti bakterijskog

ćelijskog zida, lipo-oligosaharidi, i oni su specifični za biljku-domaćina.

• Nod faktori deluju kao povratni signali na korenske dlačice i ćelije kore

korena.

• Nod faktori aktiviraju lektine (strukturne proteine ćelijskog zida biljaka koji

imaju funkciju u prepoznavanju ćelija) u ćelijskim zidovima korenskih

dlačica leguminoza, a ovi prepoznaju i olakšavaju vezivanje specifičnih

rizobija koje mogu da uđu u simbiozu sa tom vrstom leguminoza.

• Slede dva procesa koji se dešavaju paralelno: formiranje infekcione niti i

formiranje nodula. U formiranje nodula umešano je nekoliko grupa biljnih

hormona – citokinini, auksini i giberelini – koje sintetišu rizobije, kao

sekundarne metabolite.

Kada infekciona nit dođe do

primordije nodule, bakterije

izlaze iz niti, povećavaju

svoju veličinu, prestaju da se

dele i opstaju u ćelijama

nodule kao endosimbiotske

organele, bakteroidi,

obavijene peribakteroidnom

membranom.

Leghemoglobin se sintetiše

istovremeno sa formiranjem

bakteroida.

• Biljni hormoni, čiju sintezu određuju

bakterijski geni, regulišu procese

dediferencijacije, deobe i

rediferencijacije ćelija korena, koje

rezultiraju formiranjem prvo

primordija nodula, a zatim i nodula.

• U morfološkim (vaskularni elementi i

meristemski centar) i biohemijskim

promenama koje se dešavaju

tokom formiranja nodula imaju

ulogu i proteini nodulini (enzimi i

transporteri), koji su kodirani biljnim

Nod genima (ne eksprimiraju se kad

nema infekcije rizobijama).

• Nodule mogu biti izdužene

(indeterminantne) ili loptaste

(determinantne) u zavisnosti od toga

da li u njima postoji aktivan

meristemski centar ili ne.

Indeterminantne nodule su sastavljene

iz 3 tkiva: meristemskog, provodnog i

parenhimskog. Meristemsko tkivo nalazi

se na vrhu izdužene nodule. Provodno i

parenhimsko tkiva su organizovana u

periferno postavljene kortikalne slojeve

i centralno postavljeno tkivo koje sadrži

bakteroide. U diferenciranim nodulama,

u centralnom delu, razlikuje se 5

razvojnih zona, koje su rezultat

produžene aktivnosti nodule:

I. meristemsko tkivo

II. zona infekcije

III. zona rane simbioze

IV. zona kasne simbioze

V. senescentna zona

Fiksacija azota odvija se samo u zoni

kasne simbioze.

Determinantne nodule gube

meristemsko tkivo ubrzo posle infekcije

i dalje rastu samo na osnovu

povećanja volumena ćelija. One su

loptaste i sve ćelije u nodulama su u

istoj fazi razvića. Karakteristične su za

biljne simbionte poreklom iz tropskih

krajeva.

• Leghemoglobin je produkt kasnih

Nod gena. Nalazi se u citoplazmi

inficiranih ćelija nodule, a

funkcija mu je da veže O2,

transportuje ga do bakteroida

(kojima je kiseonik potreban za

disanje) i obezbedi anaerobne

uslove unutar nodula (ima

veoma visok afinitet za vezivanje

kiseonika).

Redukcija N2

Biološka redukcija N2 odigrava se na isti način kod svih diazotrofa.

• U reakciji iz jednog molekula azota nastaju dva molekula NH3, a

redukuju se i 2 protona do molekulskog vodonika.

• Enzim koji učestvuje u katalizi reakcije je nitrogenaza.

• Nitrogenaza je zapravo enzimski kompleks koji se sastoji iz dva enzima:

Protein I = molibdo-fero protein (MoFe-protein) – sastoji se iz 4

subjedinice, od kojih svaka sadrži 2 atoma molibdena i različit broj

Fe-S kompleksa.

Protein II = fero-protein (Fe-protein) – sastoji se iz 2 subjedinice i

sadrži 4 Fe-S kompleksa.

• Nitrogenaza je osetljiva na kiseonik. U aerobnoj sredini oba proteina u

sastavu nitrogenaze se ireverzibilno inaktiviraju. Zbog toga je uslov za

fiksaciju N2 da se reakcija odvija u anaerobnoj sredini ili u sredini u kojoj

je nivo kiseonika veoma nizak.

Uslovi za funkcionisanje

nitrogenaze:

1. Adekvatni donori

elektrona

2. Velika količina ATP

3. Anaerobna sredina

• Donor elektrona za redukciju azota je redukovani feredoksin.

• Fdred redukuje prvo Fe-protein, za šta je potreban utrošak ATP i

prisustvo Mg2+

, a zatim on redukuje MoFe-protein. Akceptor elektrona

su N2 i protoni, a proizvod reakcije su amonijak i molekulski vodonik.

• Redukcija protona se neizbežno dešava uporedo sa redukcijom

azota, pa se reakcija može predstaviti dvema jednačinama:

N2 + 6e- + 12ATP + 6H

+ 2NH3 +12ADP + 12Pi

2H+ + 2e

- + 4ATP H2 + 4ADP + 4Pi

• Nitrogenaza može da prenese elektrone na različite supstrate, ali u

prirodnim uslovima akceptori elektrona su N2 i H+. Redukcija acetilena

u etilen, koju takođe može da katalizuje ovaj enzim, koristi se kao

kriterijum za dokazivanje nitrogenazne funkcije kod potencijalnih

diazotrofa.

• Smisao redukcije protona do molekulskog vodonika još nije

razjašnjen.

• Proces redukcije azota do amonijaka je energetski skup proces – za

prenos svakog elektrona troše se 2 molekula ATP.

• U nodulama biljke-domaćina energija potrebna za disanje bakteroida i

za fiksaciju azota potiče iz metaboličkih procesa biljke.

• Amonijak koji nastaje u nodulama kao proizvod redukcije azota, pošto

je toksičan, mora odmah da se asimiluje u organska jedinjenja, a ta

organska jedinjenja se transportuju ksilemom u listove. Postoje dva tipa

leguminoza (na osnovu toga koja azotna jedinjenja sintetišu u

nodulama i transportuju ksilemom):

leguminoze koje u kvržicama asimiluju amonijak u amide

(uglavnom glutamin i asparagin) koristeći sistem GS/GOGAT

leguminoze koje u kvržicama asimiluju amonijak u ureide

(alontoinska kiselina, alantoin i citrulin) – ova jedinjenja se u

listovima katabolizuju u amonijak, a zatim opet asimiluju u glutamin

(sistem GS/GOGAT).

• S obzirom na to da energiju i za fiksaciju azota i asimilate za rastenje

bakterija obezbeđuje biljka-domaćin, postoji povezanost procesa

biološke redukcije azota sa fotosintezom. Korenovi sa nodulama

predstavljaju jedan od uvira sa najvećom snagom privlačnog centra.

Nodule, sa druge strane, obezbeđuju veliki deo redukovanog azota za

biljku i tako je čine nezavisnom od količine azota u zemljištu.

• Značaj fiksacije azota i simbioze leguminoza i diazotrofa je u tome da se

zahvaljujući njima zemljište obogaćuje azotom, što je od velikog

značaja za poljoprivredu.