Ассимиляция нитратов крайне важна для синтеза органического вещества

Живая материя содержит большое количество азота, включенного в белки, нуклеиновые кислоты и многие другие биомолекулы. Этот органический азот представлен степенью окисления —III (как в NH₃). При автотрофном росте потребность в азоте для образования веществ клетки удовлетворяется двумя альтернативными путями:

• 1. Фиксация молекулярного азота из воздуха.
• 2. Ассимиляция нитрата или аммония, содержащихся в воде или в почве.

Лишь некоторые бактерии, включая цианобактерий, способны фиксировать N₂ из воздуха. Некоторые растения вступают в симбиоз с азот-фиксирующими бактериями, снабжающими их азотом, включенным в органические вещества. В главе 11 это рассмотрено более подробно. Однако около 99% органического азота биосферы получены в результате ассимиляции нитрата. NH^ образуется как конечный продукт деградации органического вещества, прежде всего в процессах метаболизма животных и бактерий, и вновь окисляется до нитрата нитрифицирующими бактериями почвы. Таким образом, существует постоянный круговорот между нитратом почвы и органическим азотом растений, произрастающих на ней. NH/ накапливается только в плохо аэрируемых и недостаточно дренированных почвах, где существование нитрифицирующих бактерий затруднено из-за недостатка кислорода. В местностях с интенсивным животноводством в почву может попадать много аммиака как из навоза, так и из воздуха. При его доступности многие растения способны также использовать NH₄⁺ вместо нитрата в качестве источника азота.

Существуют два последовательных этапа восстановления нитрата до NH^

Нитрат может ассимилироваться как в листьях, так и в корнях. У большинства взрослых травянистых растений ассимиляции нитрата происходит прежде всего в листьях, хотя ассимиляция нитрата в корнях у этих растений часто играет основную роль на ранних стадиях роста. У многих деревьев и кустарников ассимиляция нитрата идет преимущественно в корнях.

Транспорт нитрата в клетки корней осуществляется в симпорте с двумя протонами (рис. 10.1). Протонный градиент на плазматической мембране, генерируемый Н⁺-Р-АТФазой (раздел 8.2), обеспечивает поглощение нитрата против градиента концентрации. АТФ, требуемая для создания протонного градиента, образуется преимущественно за счет митохондриального дыхания. Если митохондриальный синтез АТФ в корнях подавить ингибитором или разобщителем дыхания, то поглощение нитрата обычно прекращается. На плазматической мембране клеток корней содержатся несколько переносчиков нитрата; среди них имеются переносчик со сравнительно низким сродством (полунасыщение >500 мкмоль нитрата) и переносчик с очень высоким сродством (полунасыщение 20—100 мкмоль нитрата), причем последний индуцируется лишь в том случае, когда это обусловлено потребностями метаболизма. Таким образом, интенсивность поглощения нитрата корнями зависит от внешних условий. Эффективность системы поглощения нитрата делает возможным рост растений даже при очень низкой концентрации нитрата — до 10 мкмоль.

Рис. 10.1. Ассимиляция нитрата в корнях и листьях растения. Нитрат поглощается из почвы клетками корней. Он может запасаться в вакуолях этих клеток или ассимилироваться в клетках коры корня. Избыток нитрата переносится по сосудам ксилемы в клетки мезофилла, где нитрат может временно запасаться в вакуолях. Нитрат в клетках мезофилла восстанавливается до нитрита, а затем нитрит в хлоропластах восстанавливается далее до NH₄⁺, используемого в синтезе аминокислот. Перенос Н⁺ из цитозоля клеток корней и мезофилла осуществляется при помощи Н⁺-Р-АТФазы

NO®

NO® + н₂0

Последовательность аминокислот:

Рис. 10.2. («) Нитратредуктаза переносит электроны от НАД(Ф)Н к нитрату.

(б) Фермент содержит три домена, в нем объединены ФАД, гем и молибденовый кофактор (МоКо)

Нитрат, поглощенный клетками корней, может временно запасаться там в вакуолях. Как показано в разделе 10.2, NO₃^_ восстанавливается до NH₄⁺ в клетках корня. Этот NH₄⁺ в основном используется для образования транспортных форм: глутамина и аспарагина (обозначены общим названием амиды на рис. 10.1). Эти две аминокислоты могут транспортироваться в листья по сосудам ксилемы. Однако если способность корней к ассимиляции нитрата исчерпывается, то нитрат поступает из корней в сосуды ксилемы и переносится с восходящим током в листья^[1]. Там нитрат поглощается клетками мезофилла, возможно, также путем протонного симпорта. Большие количества нитрата могут запасаться в листе, накапливаясь в вакуолях. Иногда этот вакуолярный запас потребляется вследствие ассимиляции нитрата в течение дня и восстанавливается ночью. Так, например, в листьях шпината самое высокое содержание нитрата обнаруживается рано утром.

Нитрат в клетках мезофилла восстанавливается до нитрита нитратредуктазой, присутствующей в цитозоле, а затем до NH₄⁺ нитритре-дуктазой в хлоропластах (см. рис. 10.1).

• [1] Распределение восстановления нитрата между надземными и подземными органами зависит от вида растения. — Прим. ред.