Связывание избыточного аммиака в растениях.

При интенсивном дезаминировании аминокислот и других азотистых веществ в ходе диссимиляции в организмах органических соединений высвобождается большое количество аммонийной формы азота, которая в высоких концентрациях токсична для растительных тканей. Повышение концентрации аммонийного азота в растениях наблюдается также при внесении аммонийных форм азотных удобрений. Поступающий в растение из почвы или образовавшийся в результате распада азотистых веществ аммонийный азот активно используется для синтеза аминокислот, вступая в реакции восстановительного аминирования с кетоаналогами аминокислот. Однако, если концентрация аммонийного азота в растительных тканях чрезмерно повышается, вступают в действие механизмы связывания аммиака, защищающие растения от аммиачного отравления.

Как установлено в опытах, признаки аммиачного отравления у растений с нейтральным клеточным соком наблюдаются при содержании в вегетативной массе свыше 30-40 мг% аммонийного азота. Более устойчивы к аммиачному отравлению растения с кислым клеточным соком (рН 1,3-4) – щавель, бегония, ревень, пеларгония, осоки, хвощи и др. У этих растений в клеточном соке накапливается много органических кислот (яблочной, щавелевой, лимонной, янтарной и др.), которые связывают аммиачный азот в виде аммонийных солей и таким образом предотвращают аммиачное отравление указанных растений.

СН₂-СООН CH₂COONH₄ | + NH₃ ¾® | CHOH-COOH CHOH-COOH яблочная малат аммония кислота СООН COONH₄ | + 2NH₃ ¾® | COOH COONH₄ щавелевая оксалат кислота диаммония

Большинство культурных растений, хотя и содержат в своих тканях органические кислоты, являющиеся продуктами дыхательных реакций, имеют реакцию клеточного сока близкую к нейтральной, поэтому не способны связывать в виде аммонийных солей большое количество азота, образующегося при распаде азотистых веществ или поступающего в растения из почвы как фактор азотного питания. У них избыточный аммонийный азот обезвреживается путём образования амидов дикарбоновых аминокислот – глутамина и аспарагина. На синтез амидов затрачивается метоболическая энергия, которая высвобождается за счёт гидролиза АТФ. Реакция синтеза глутамина из глутаминовой кислоты и аммиака с участием АТФ под действием фермента глутаминсинтетазы была показана ранее. Образование аспарагина катализирует фермент аспарагинсинтетаза (6.3.5.4), способная за счёт гидролиза глутамина осуществлять синтез амидной группировки аспарагина в результате следующей реакции:

Кроме аспарагина и глутаминовой кислоты, продуктами данного превращения также являются аденозинмонофосфат и дифосфорная кислота, возникающие в результате гидролиза макроэргической связи АТФ между первым и вторым остатками фосфорной кислоты. При высоких концентрациях аммонийной формы азота возможно образование аспарагина непосредственно с участием аммиака по аналогии с реакцией образования глутамина (стр…). Однако фермент аспарагинсинтетаза имеет большее сродство к глутамину как донору NH₂-групп, чем NH₄⁺-ионам, поэтому указанная выше реакция синтеза аспарагина из аспарагиновой кислоты и глутамина наиболее типична для растений. Ферменты глутаминсинтетаза и аспарагинсинтетаза локализованы в цитоплазме.

Динамика содержания амидов в растительных тканях в зависимости от направленности проходящих в них биохимических процессов была выяснена в классических исследованиях Э.Шульце, Д.Н. Прянишникова, А. Чибнелла, В.Л. Кретовича, Было отмечено, что при интенсивном дезаминировании азотистых веществ или преимущественном питании растений аммонийной формой азота в тканях растений наблюдается накопление аспарагина и глутамина, причём у большинства растений глутамина содержится больше по сравнению с аспарагином. У некоторых растений избыточный аммиак связывается главным образом путём его включения в глутамин. К таким растениям относится сахарная свёкла, в корнях которой при усиленном питании растений аммонийными солями может накапливаться свыше 5 % глутамина в расчёте на сухую массу. У других растений

при связывании избыточного аммиака наблюдается преимущественное накопление аспарагина. Например, в этиолированных проростках люпина, в которых очень активно происходит распад азотистых веществ с образованием аммиака, содержится много аспарагина (до11 % от сухой массы). Также много аспарагина накапливается в корневищах спаржи (до 17 % от сухой массы).

Изучение процесса ассимиляции аммонийной формы азота, поступающей в растения из почвы, показывает, что почти весь аммиачный азот превращается в корнях в аммонийный азот аминокислот и амидный азот глутамина и аспарагина. Поэтому более половины азота, переносимого из корней в вегетативную часть растений с ксилемным и флоэмным током, представлено амидами. Аспарагин и глутамин, являясь продуктами связывания избыточного аммиака, активно участвуют в различных биохимических процессах как доноры аминных групп и источники образования других азотистых веществ.

О // НООС–СН–СН₂–С–С–NH₂ | || NH₂ CH₂

У некоторых растений основным веществом, в виде которого связывается избыточный аммиачный азот,, является производное глутамина – g-метиленглутамин:

Много g-метиленглутамина содержится в корнях и пасоке арахиса, листьях и луковицах тюльпана, листьях папоротника, проростках бобов, хмеле, горохе.