Ассимиляция серы — это процесс, посредством которого живые организмы включают серу в свои биологические молекулы. У растений сульфат поглощается корнями, а затем транспирационным потоком переносится в хлоропласты, где сера восстанавливается до сульфида с помощью ряда ферментативных реакций . Кроме того, восстановленная сера включена в цистеин , аминокислоту, которая является предшественником многих других серосодержащих соединений. У животных ассимиляция серы происходит преимущественно с пищей, так как животные не могут производить серосодержащие соединения напрямую. Сера входит в состав аминокислот, таких как цистеин и метионин , которые используются для построения белков и других важных молекул. Кроме того, с быстрым развитием экономики увеличение выбросов серы приводит к экологическим проблемам, таким как кислотные дожди и сероводород .
Сульфат поглощается корнями , имеющими высокое сродство. Максимальная скорость поглощения сульфата обычно достигается уже при уровне сульфата 0,1 мМ и ниже. Поглощение сульфата корнями и его транспортировка в побеги строго контролируются и, по-видимому, являются одним из основных регуляторных участков ассимиляции серы.
Сульфат активно поглощается через плазматическую мембрану клеток корня , затем загружается в сосуды ксилемы и транспортируется в побег потоком транспирации . Поглощение и транспорт сульфата зависят от энергии (движется градиентом протонов , генерируемым АТФазами ) посредством совместного транспорта протонов и сульфатов . В побеге сульфат выгружается и транспортируется в хлоропласты, где восстанавливается. Оставшийся в растительной ткани сульфат присутствует преимущественно в вакуоли , поскольку концентрация сульфата в цитоплазме сохраняется довольно постоянной.
Различные белки-переносчики сульфата опосредуют поглощение, транспорт и внутриклеточное распределение сульфата. В зависимости от клеточной и субклеточной экспрессии генов и возможного функционирования семейство генов транспортеров сульфата подразделяется на 5 различных групп. Некоторые группы экспрессируются исключительно в корнях или побегах или экспрессируются как в корнях, так и в побегах.
Регуляция и экспрессия большинства переносчиков сульфатов контролируются состоянием питания растений серой. При депривации сульфатов быстрое снижение содержания сульфатов в корнях регулярно сопровождается сильным усилением экспрессии большинства генов-переносчиков сульфатов (до 100 раз), что сопровождается существенно увеличенной способностью поглощения сульфатов. Природа этих переносчиков еще до конца не решена, выступают ли сигналами в регуляции поглощения сульфата корнем и транспорта его в побег сам сульфат или продукты метаболизма ассимиляции серы ( О-ацетилсерин , цистеин , глутатион ), в экспрессии участвующих переносчиков сульфата.
Хотя корневые пластиды содержат все сульфатредуцирующие ферменты , сульфатредукция преимущественно происходит в хлоропластах листьев . Восстановление сульфата до сульфида происходит в три стадии. Сульфат необходимо активировать до аденозин-5'-фосфосульфата (APS) до его восстановления до сульфита .
Активация сульфата катализируется АТФ- сульфурилазой, сродство которой к сульфату довольно низкое (Km около 1 мМ), и концентрация сульфата in situ в хлоропластах, скорее всего, является одним из лимитирующих/регуляторных этапов восстановления серы. Впоследствии АПС восстанавливается до сульфита, катализируемого АПС-редуктазой, с вероятным глутатионом в качестве восстановителя .
Предполагается, что последняя реакция является одной из основных точек регуляции 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 помощью ферредоксина в качестве восстановителя. Оставшийся в растительной ткани сульфат переносится в вакуоль . Ремобилизация и перераспределение запасов вакуольных сульфатов происходят довольно медленно, и растения с дефицитом серы все еще могут содержать обнаруживаемые уровни сульфатов.
Сульфид включается в цистеин , катализируемый О-ацетилсерин(тиол)лиазой, с О-ацетилсерином в качестве субстрата. Синтез О-ацетилсерина катализируется серин- ацетилтрансферазой и вместе с О-ацетилсерин(тиол)лиазой он образует ферментный комплекс, называемый цистеинсинтазой .
Образование цистеина является стадией прямого взаимодействия между серой ( метаболизм серы ) и ассимиляцией азота в растениях. Это отличается от процесса у дрожжей, где сульфид сначала должен быть включен в гомоцистеин, а затем в два этапа преобразован в цистеин.
Цистеин является донором серы для синтеза метионина , основной другой 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 функциях белков и ферментов , но высокие уровни этих аминокислот также могут присутствовать в запасных белках семян. Тиоловые группы остатков цистеина в белках могут окисляться, что приводит к образованию дисульфидных мостиков с другими боковыми цепями цистеина (и образованию цистина ) и/или связыванию полипептидов .
Дисульфидные мостики ( дисульфидные связи ) вносят важный вклад в структуру белков. Тиоловые группы также играют большую роль в связывании субстратов ферментов, в кластерах металл-сера в белках (например, ферредоксинах ) и в регуляторных белках (например, тиоредоксинах ).
Глутатион или его гомологи, например гомоглутатион у Fabaceae ; гидроксиметилглутатион в Poaceae является основным водорастворимым небелковым тиоловым соединением, присутствующим в тканях растений, и составляет 1-2% от общего количества серы. Содержание глутатиона в растительных тканях колеблется в пределах 0,1 – 3 мМ. Цистеин является прямым предшественником синтеза глутатиона (и его гомологов). Сначала γ-глутамилцистеин синтезируется из цистеина и глутамата, катализируемый гамма-глутамилцистеинсинтетазой . Во-вторых, глутатион синтезируется из γ-глутамилцистеина и глицина (в гомологах глутатиона — β-аланина или серина ), катализируемом глутатионсинтетазой. Обе стадии синтеза глутатиона являются АТФ-зависимыми реакциями. Глутатион поддерживается в восстановленной форме с помощью НАДФН -зависимой глутатионредуктазы , а соотношение восстановленного глутатиона (GSH) и окисленного глутатиона (GSSG) обычно превышает значение 7. Глутатион выполняет различные роли в функционировании растений. В метаболизме серы он действует как восстановитель при восстановлении АПС до сульфита. Это также основная форма транспорта восстановленной серы в растениях. Уменьшение поступления серы в корни, вероятно, во многом зависит от переноса глутатиона от побега к корню через флоэму , поскольку восстановление серы происходит преимущественно в хлоропластах. Глутатион принимает непосредственное участие в восстановлении и ассимиляции селенита в селеноцистеин . Кроме того, глутатион имеет большое значение для защиты растений от окислительного и экологического стресса, а также подавляет/удаляет образование токсичных активных форм кислорода , например, супероксида , перекиси водорода и гидроперекисей липидов . Глутатион действует как восстановитель при ферментативной детоксикации активных форм кислорода в глутатион- аскорбатном цикле и как тиоловый буфер при защите белков посредством прямой реакции с активными формами кислорода или путем образования смешанных дисульфидов. Потенциал глутатиона в качестве защитного средства связан с размером пула глутатиона, его окислительно-восстановительным состоянием (соотношением GSH/GSSG) и активностью глутатионредуктазы . Глутатион является предшественником синтеза фитохелатинов, которые синтезируются ферментативно с помощью конститутивной фитохелатинсинтазы. Число остатков γ-глутамилцистеина в фитохелатинах может колебаться от 2 до 5, иногда до 11. Несмотря на то, что фитохелатины образуют комплексы, в которых мало тяжелых металлов, а именно. кадмийПредполагается, что эти соединения играют роль в гомеостазе тяжелых металлов и детоксикации путем буферизации цитоплазматической концентрации незаменимых тяжелых металлов. Глутатион также участвует в детоксикации ксенобиотиков , соединений, не имеющих прямой пищевой ценности или значения в метаболизме, слишком высокие уровни которых могут отрицательно повлиять на функционирование растений. Ксенобиотики могут подвергаться детоксикации в реакциях конъюгации с глутатионом, катализируемых глутатион-S-трансферазой , активность которой является конститутивной; разные ксенобиотики могут индуцировать разные изоформы фермента. Глутатион S-трансферазы имеют большое значение для детоксикации гербицидов и повышения толерантности в сельском хозяйстве, а их индукция антидотами гербицидов ( « защитниками ») является решающим шагом для индукции толерантности к гербицидам у многих сельскохозяйственных культур. Предполагается, что в природных условиях глутатион S-трансферазы играют роль в детоксикации гидроперекисей липидов , конъюгации эндогенных метаболитов, гормонов и продуктов деградации ДНК , а также в транспорте флавоноидов .
Сульфолипиды – серосодержащие липиды. Сульфохиновозилдиацилглицерины являются преобладающими сульфолипидами, присутствующими в растениях. В листьях ее 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 является вероятным предшественником серы для образования сульфохиновозной группы этого липида.
Виды Brassica содержат глюкозинолаты , которые представляют собой серосодержащие вторичные соединения . Глюкозинолаты состоят из фрагмента β-тиоглюкозы, сульфированного оксима и боковой цепи. Синтез глюкозинолатов начинается с окисления исходной аминокислоты до альдоксима с последующим добавлением тиоловой группы (путем конъюгации с глутатионом) с образованием тиогидроксимата. Перенос глюкозо - сульфатной части завершает образование глюкозинолатов.
Физиологическое значение глюкозинолатов до сих пор неясно, хотя считается, что они действуют как поглотительные соединения в ситуациях избытка серы. При разрушении тканей глюкозинолаты ферментативно разлагаются мирозиназой и могут давать различные биологически активные продукты, такие как изотиоцианаты , тиоцианаты , нитрилы и оксазолидин-2-тионы. Предполагается, что глюкозинолат-мирозиназная система играет роль во взаимодействиях растение- травоядное животное и растение- патоген .
Кроме того, глюкозинолаты отвечают за вкусовые свойства Brassicaceae и недавно привлекли внимание ввиду их потенциальных антиканцерогенных свойств .Виды лука содержат γ-глутамилпептиды и аллиины (S-алк(ен)илцистеинсульфоксиды). Содержание этих серосодержащих вторичных соединений сильно зависит от стадии развития растения, температуры, водообеспеченности и уровня азотного и серного питания. В луковицах их содержание может составлять до 80% органической фракции серы. Меньше известно о содержании вторичных соединений серы на стадии проростков растения.
Предполагается, что аллиины преимущественно синтезируются в листьях, откуда в дальнейшем переносятся в прикрепленные луковичные чешуи. Пути биосинтеза синтеза γ-глутамилпептидов и аллиинов до сих пор остаются неоднозначными. γ-глутамилпептиды могут образовываться из цистеина (через γ-глутамилцистеин или глутатион) и 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 обладают терапевтической ценностью и могут иметь потенциальную ценность в качестве фитофармацевтических средств. Аллиины и продукты их распада (например, аллицин ) являются предшественниками аромата и вкуса видов. Аромат высвобождается только тогда, когда растительные клетки разрушаются, и фермент аллииназа из вакуоли способен расщеплять аллиины, образуя широкий спектр летучих и нелетучих серосодержащих соединений. Физиологическая функция γ-глутамилпептидов и аллиинов достаточно неясна.
В отличие от растений, у животных нет пути прямой ассимиляции неорганического сульфата в органические соединения. У животных основным источником серы является пищевой метионин , незаменимая аминокислота, содержащая атом серы. Метионин сначала превращается в S-аденозилметионин (SAM), соединение, которое участвует во многих важных биологических процессах, включая метилирование ДНК и синтез нейромедиаторов .
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 во множестве физиологических процессов, включая осморегуляцию , модуляцию передачи сигналов кальция и регуляцию функции митохондрий.
У бактерий и грибов путь ассимиляции серы аналогичен пути ассимиляции серы 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 сульфат-переносчик, который регулируется наличием сульфата в среде. Попав внутрь клетки, сульфат активируется АТФ-сульфуралазой с образованием аденозин-5'-фосфосульфата (APS), который затем восстанавливается до сульфита с помощью APS-редуктазы. Сульфит далее восстанавливается до сульфида с помощью сульфитредуктазы, которая затем включается в цистеин с помощью фермента.
Цистеин после синтеза можно использовать для биосинтеза метионина и других важных биомолекул. Кроме того, микроорганизмы используют серосодержащие соединения и для различных других целей, например для синтеза антибиотиков .
Усвоение серы микроорганизмами регулируется множеством факторов внешней среды, в том числе наличием серы в среде и наличием других питательных веществ. Активность ключевых ферментов пути ассимиляции серы также регулируется путем ингибирования по обратной связи со стороны последующих продуктов, аналогично регуляции, наблюдаемой у растений.
Быстрый экономический рост, индустриализация и урбанизация связаны с сильным увеличением спроса на энергию и выбросами загрязнителей воздуха , включая диоксид серы (см. также кислотные дожди ) и сероводород , которые могут повлиять на метаболизм растений . Сернистые газы потенциально фитотоксичны , однако они также могут метаболизироваться и использоваться в качестве источника серы и даже приносить пользу, если удобрение корней серой недостаточно.
Побеги растений образуют поглотитель атмосферных сернистых газов, которые могут напрямую поглощаться листвой (сухое осаждение). Листовое поглощение диоксида серы обычно находится в прямой зависимости от степени раскрытия устьиц , поскольку внутреннее сопротивление этому газу невелико. Сульфит хорошо растворим в апопластной воде мезофилла , где диссоциирует с образованием бисульфита и сульфита .
Сульфит может напрямую вступать в путь восстановления серы и восстанавливаться до сульфида , включающегося в цистеин, а затем в другие соединения серы. Сульфит также может быть окислен до сульфата вне- и внутриклеточно пероксидазами или неферментативно катализируемо ионами металлов или супероксидными радикалами , а затем восстановлен и снова ассимилирован. Избыточный сульфат переносится в вакуоль; Повышенный уровень сульфатов в листьях характерен для растений, подвергшихся воздействию. Поглощение сероводорода листвой, по-видимому, напрямую зависит от скорости его метаболизма в цистеин, а затем и в другие соединения серы. Имеются убедительные доказательства того, что О-ацетилсерин(тиол)лиаза непосредственно ответственна за активную фиксацию сероводорода атмосферы растениями.
Растения способны переносить серу из сульфата в поглощенную листьями атмосферную серу в качестве источника серы, и уровни 60 частей на миллиард или выше кажутся достаточными для покрытия потребности растений в сере. Существует взаимодействие между использованием серы в атмосфере и педосфере. Например, воздействие сероводорода может привести к снижению активности APS-редуктазы и снижению поглощения сульфата.