Усвоение серы — это процесс, посредством которого живые организмы включают серу в свои биологические молекулы. [1] В растениях сульфат поглощается корнями, а затем транспортируется в хлоропласты трансипрационным потоком, где сера восстанавливается до сульфида с помощью серии ферментативных реакций . Кроме того, восстановленная сера включается в цистеин , [2] аминокислоту, которая является предшественником многих других серосодержащих соединений. У животных усвоение серы происходит в основном через рацион, поскольку животные не могут производить серосодержащие соединения напрямую. Сера включается в аминокислоты, такие как цистеин и метионин , которые используются для построения белков и других важных молекул. [2]
Поглощение сульфата сначала происходит в корнях, которые имеют высокое сродство к сере. [3] Максимальная скорость поглощения сульфата обычно достигается уже при уровнях сульфата 0,1 мМ и ниже. Поглощение сульфата корнями и его транспортировка в побег строго контролируется, и это, по-видимому, одно из основных мест регуляции ассимиляции серы. [3]
Сульфат активно поглощается через плазматическую мембрану клеток корня , затем загружается в сосуды ксилемы и транспортируется в побег с помощью транспирационного потока. [4] Поглощение и транспортировка сульфата зависят от энергии (движимы протонным градиентом , создаваемым АТФазами ) через протон/сульфатный котранспорт . [5] В побеге сульфат выгружается и транспортируется в хлоропласты, где он восстанавливается. Оставшийся сульфат в растительной ткани преимущественно присутствует в вакуоли , поскольку концентрация сульфата в цитоплазме поддерживается довольно постоянной.
Отдельные белки-транспортеры сульфата опосредуют поглощение, транспортировку и внутриклеточное распределение сульфата. [6] Семейство генов- транспортеров сульфата было классифицировано на 5 различных групп в соответствии с их клеточной и внутриклеточной экспрессией генов и возможным функционированием. [7] Каждая группа белков-транспортеров может быть экспрессирована исключительно в корнях или побегах растения, или и там, и там.
Регуляция и экспрессия большинства сульфатных транспортеров контролируются статусом серного питания растений. [8] При дефиците сульфата быстрое снижение сульфата в корне регулярно сопровождается сильно усиленной экспрессией большинства генов сульфатных транспортеров (до 100 раз), что сопровождается существенно увеличенной способностью к поглощению сульфата. Пока еще не до конца понятно, действуют ли сульфат и другие метаболические продукты ассимиляции серы ( O-ацетилсерин , цистеин , глутатион ) как сигналы в регуляции поглощения и транспорта сульфата или в экспрессии задействованных сульфатных транспортеров.
Восстановление сульфата происходит преимущественно в хлоропластах листьев . Здесь восстановление сульфата до сульфида происходит в три этапа. Сульфат должен быть активирован до аденозин-5'-фосфосульфата (APS) перед его восстановлением до сульфита .
Активация сульфата катализируется АТФ- сульфурилазой, чье сродство к сульфату довольно низкое (Km приблизительно 1 мМ), и концентрация сульфата in situ в хлоропласте, скорее всего, является одним из ограничивающих/регуляторных этапов восстановления серы. Впоследствии APS восстанавливается до сульфита, катализируемого APS-редуктазой с вероятным глутатионом в качестве восстановителя .
Последняя реакция, как предполагается, является одной из основных точек регуляции в сульфатредукции, поскольку активность APS-редуктазы является самой низкой из ферментов пути сульфатредукции и имеет высокую скорость оборота. Сульфит с высоким сродством восстанавливается сульфитредуктазой до сульфида с ферредоксином в качестве восстановителя. Оставшийся сульфат в растительной ткани переносится в вакуоль . Ремобилизация и перераспределение вакуолярных резервов сульфата, по-видимому, происходят довольно медленно, и растения с дефицитом серы могут по-прежнему содержать определяемые уровни сульфата.
Сульфид включается в цистеин , катализируемый O-ацетилсерин (тиол)лиазой, с O-ацетилсерином в качестве субстрата. Синтез O-ацетилсерина катализируется серин ацетилтрансферазой и вместе с O-ацетилсерин (тиол)лиазой он ассоциируется в ферментный комплекс, называемый цистеинсинтазой .
Образование цистеина является прямым этапом сопряжения между серой ( метаболизм серы ) и ассимиляцией азота в растениях. Это отличается от процесса в дрожжах, где сульфид должен сначала включиться в гомоцистеин, а затем преобразоваться в два этапа в цистеин.
Цистеин является донором серы для синтеза метионина , другой основной серосодержащей аминокислоты, присутствующей в растениях. Это происходит через путь транссульфурации и метилирования гомоцистеина .
И цистеин, и метионин являются серосодержащими аминокислотами и имеют большое значение в структуре, конформации и функции белков и ферментов , но высокие уровни этих аминокислот могут также присутствовать в белках запаса семян. Тиоловые группы остатков цистеина в белках могут окисляться, что приводит к образованию дисульфидных мостиков с другими боковыми цепями цистеина (и формированию цистина ) и/или связыванию полипептидов .
Дисульфидные мостики ( дисульфидные связи ) вносят важный вклад в структуру белков. Тиоловые группы также имеют большое значение в связывании субстрата ферментов, в кластерах металл-сера в белках (например, ферредоксины ) и в регуляторных белках (например, тиоредоксины ).
Глутатион или его гомологи, например гомоглутатион в Fabaceae ; гидроксиметилглутатион в Poaceae, являются основными водорастворимыми небелковыми тиоловыми соединениями , присутствующими в растительной ткани и составляющими 1-2% от общей серы. Содержание глутатиона в растительной ткани колеблется от 0,1 до 3 мМ. Цистеин является прямым предшественником синтеза глутатиона (и его гомологов). Во-первых, γ-глутамилцистеин синтезируется из цистеина и глутамата, катализируемого гамма-глутамилцистеинсинтетазой . Во-вторых, глутатион синтезируется из γ-глутамилцистеина и глицина (в гомологах глутатиона, β-аланина или серина ), катализируемого глутатионсинтетазой. Оба этапа синтеза глутатиона являются реакциями, зависящими от АТФ. Глутатион поддерживается в восстановленной форме с помощью НАДФН -зависимой глутатионредуктазы , а отношение восстановленного глутатиона (GSH) к окисленному глутатиону (GSSG) обычно превышает значение 7. Глутатион выполняет различные функции в функционировании растений. В метаболизме серы он функционирует как восстановитель при восстановлении APS до сульфита. Он также является основной транспортной формой восстановленной серы в растениях. Корни, вероятно, в значительной степени зависят от своего восстановленного запаса серы от переноса глутатиона побегами/корнями через флоэму , поскольку восстановление серы происходит преимущественно в хлоропласте. Глутатион напрямую участвует в восстановлении и ассимиляции селенита в селеноцистеин . Кроме того, глутатион имеет большое значение в защите растений от окислительного и экологического стресса и подавляет/очищает образование токсичных активных форм кислорода , например, супероксида , перекиси водорода и гидроперекисей липидов . Глутатион функционирует как восстановитель в ферментативной детоксикации активных форм кислорода в цикле глутатион- аскорбат и как тиоловый буфер в защите белков посредством прямой реакции с активными формами кислорода или путем образования смешанных дисульфидов. Потенциал глутатиона как защитного вещества связан с размером пула глутатиона, его окислительно-восстановительным состоянием (соотношение GSH/GSSG) и активностью глутатионредуктазы . Глутатион является предшественником синтеза фитохелатинов, которые синтезируются ферментативно конститутивной фитохелатинсинтазой. Количество остатков γ-глутамилцистеина в фитохелатинах может варьироваться от 2 до 5, иногда до 11. Несмотря на то, что фитохелатины образуют комплексы, которые несколько тяжелых металлов, а именно.кадмий , предполагается, что эти соединения играют роль в гомеостазе тяжелых металлов и детоксикации путем буферизации цитоплазматической концентрации основных тяжелых металлов. Глутатион также участвует в детоксикации ксенобиотиков , соединений без прямой пищевой ценности или значения в метаболизме, которые при слишком высоких уровнях могут отрицательно влиять на функционирование растений. Ксенобиотики могут детоксицироваться в реакциях конъюгации с глутатионом, катализируемых глутатион-S-трансферазой , активность которой является конститутивной; различные ксенобиотики могут индуцировать различные изоформы фермента. Глутатион-S-трансферазы имеют большое значение в детоксикации гербицидов и толерантности в сельском хозяйстве, и их индукция антидотами гербицидов (« сафенерами ») является решающим шагом для индукции толерантности к гербицидам у многих сельскохозяйственных культур. Предполагается, что в естественных условиях глутатион-S-трансферазы играют важную роль в детоксикации гидроперекисей липидов , в конъюгации эндогенных метаболитов, гормонов и продуктов деградации ДНК , а также в транспорте флавоноидов .
Сульфолипиды — это липиды, содержащие серу. Сульфохиновозилдиацилглицерины — преобладающие сульфолипиды, присутствующие в растениях. В листьях их содержание составляет до 3–6 % от общего количества присутствующей серы. Этот сульфолипид присутствует в мембранах пластид и, вероятно, участвует в функционировании хлоропластов . Путь биосинтеза и физиологическая функция сульфохиновозилдиацилглицерина все еще изучаются. Из недавних исследований очевидно, что сульфит — вероятный предшественник серы для образования сульфохиновозной группы этого липида.
Виды Brassica содержат глюкозинолаты , которые являются вторичными соединениями, содержащими серу . Глюкозинолаты состоят из фрагмента β-тиоглюкозы, сульфированного оксима и боковой цепи. Синтез глюкозинолатов начинается с окисления исходной аминокислоты до альдоксима , за которым следует добавление тиоловой группы (через конъюгацию с глутатионом) для получения тиогидроксимата. Перенос глюкозного и сульфатного фрагментов завершает образование глюкозинолатов.
Физиологическое значение глюкозинолатов все еще неоднозначно, хотя считается, что они функционируют как поглотители в ситуациях избытка серы. При разрушении тканей глюкозинолаты ферментативно расщепляются мирозиназой и могут давать различные биологически активные продукты, такие как изотиоцианаты , тиоцианаты , нитрилы и оксазолидин-2-тионы. Предполагается, что система глюкозинолат-мирозиназа играет роль во взаимодействиях растений с травоядными и растений с патогенами .
Кроме того, глюкозинолаты отвечают за вкусовые свойства Brassicaceae и в последнее время привлекают внимание ввиду их потенциальных антиканцерогенных свойств . Виды Allium содержат γ-глутамилпептиды и аллиины (сульфоксиды S-алк(ен)илцистеина). Содержание этих вторичных серосодержащих соединений сильно зависит от стадии развития растения, температуры, доступности воды и уровня азотного и серного питания. В луковицах лука их содержание может составлять до 80% органической фракции серы. Меньше известно о содержании вторичных серосодержащих соединений на стадии проростков растения.
Предполагается, что аллиины синтезируются преимущественно в листьях, откуда они впоследствии переносятся в прикрепленную чешуйку луковицы. Биосинтетические пути синтеза γ-глутамилпептидов и аллиинов до сих пор неясны. γ-глутамилпептиды могут образовываться из цистеина (через γ-глутамилцистеин или глутатион) и могут метаболизироваться в соответствующие аллиины путем окисления и последующего гидролиза γ- глутамилтранспептидазами .
Однако нельзя исключать и другие возможные пути синтеза γ-глутамилпептидов и аллиинов. Известно, что аллиины и γ-глутамилпептиды имеют терапевтическую ценность и могут иметь потенциальную ценность в качестве фитофармацевтических препаратов. Аллиины и продукты их распада (например, аллицин ) являются предшественниками вкуса для запаха и вкуса видов. Вкус высвобождается только тогда, когда клетки растений разрушаются, и фермент аллииназа из вакуоли способен расщеплять аллиины, давая широкий спектр летучих и нелетучих серосодержащих соединений. Физиологическая функция γ-глутамилпептидов и аллиинов довольно неясна.
В отличие от растений, у животных нет пути для прямой ассимиляции неорганического сульфата в органические соединения. У животных основным источником серы является пищевой метионин , незаменимая аминокислота, содержащая атом серы. Метионин сначала преобразуется в S-аденозилметионин (SAM), соединение, которое участвует во многих важных биологических процессах, включая метилирование ДНК и синтез нейротрансмиттеров .
Затем SAM можно использовать для синтеза других важных серосодержащих соединений, таких как цистеин , таурин и глутатион . Цистеин является предшественником синтеза нескольких важных белков и пептидов, а также глутатиона, мощного антиоксиданта, защищающего клетки от окислительного стресса. Таурин участвует в различных физиологических процессах, включая осморегуляцию , модуляцию кальциевой сигнализации и регуляцию митохондриальной функции.
У бактерий и грибов путь ассимиляции серы аналогичен таковому у растений, где неорганический сульфат восстанавливается до сульфида, а затем включается в цистеин и другие серосодержащие соединения.
Бактерии и грибы могут поглощать неорганический сульфат из окружающей среды через сульфатный транспортер, который регулируется присутствием сульфата в среде. Попав внутрь клетки, сульфат активируется АТФ-сульфурилазой с образованием аденозин-5'-фосфосульфата (APS), который затем восстанавливается до сульфита APS-редуктазой. Сульфит далее восстанавливается до сульфида сульфитредуктазой, который затем включается в цистеин ферментом.
Цистеин, будучи синтезированным, может быть использован для биосинтеза метионина и других важных биомолекул. Кроме того, микроорганизмы также используют серосодержащие соединения для различных других целей, таких как синтез антибиотиков .
Ассимиляция серы в микроорганизмах регулируется различными факторами окружающей среды, включая доступность серы в среде и присутствие других питательных веществ. Активность ключевых ферментов в пути ассимиляции серы также регулируется ингибированием обратной связи от продуктов нисходящего потока, аналогично регуляции, наблюдаемой у растений.
Быстрый экономический рост, индустриализация и урбанизация связаны с резким ростом спроса на энергию и выбросами загрязняющих веществ в воздух, включая диоксид серы (см. также кислотные дожди ) и сероводород , которые могут влиять на метаболизм растений . Сернистые газы потенциально фитотоксичны , однако они также могут метаболизироваться и использоваться в качестве источника серы и даже быть полезными, если серное удобрение корней недостаточно.
Побеги растений образуют сток для атмосферных сернистых газов, которые могут быть непосредственно поглощены листвой (сухое осаждение). Поглощение листвой диоксида серы, как правило, напрямую зависит от степени открытия устьиц , поскольку внутреннее сопротивление этому газу низкое. Сульфит хорошо растворяется в апопластной воде мезофилла , где он диссоциирует с образованием бисульфита и сульфита .
Сульфит может напрямую вступать в путь восстановления серы и восстанавливаться до сульфида , включаемого в цистеин и впоследствии в другие соединения серы. Сульфит также может окисляться до сульфата вне- и внутриклеточно пероксидазами или неферментативно катализироваться ионами металлов или супероксидными радикалами и впоследствии восстанавливаться и снова усваиваться. Избыточный сульфат переносится в вакуоль; повышенные уровни сульфата в листьях характерны для незащищенных растений. Поглощение сероводорода листьями, по-видимому, напрямую зависит от скорости его метаболизма в цистеин и впоследствии в другие соединения серы. Имеются веские доказательства того, что О-ацетилсерин (тиол)лиаза напрямую отвечает за активную фиксацию атмосферного сероводорода растениями.
Растения способны переходить от сульфата к лиственной абсорбированной атмосферной сере в качестве источника серы, и уровни 60 ppb или выше, по-видимому, достаточны для покрытия потребности растений в сере. Существует взаимодействие между атмосферным и педосферным использованием серы. Например, воздействие сероводорода может привести к снижению активности APS-редуктазы и подавленному поглощению сульфата.