stringtranslate.com

Нитратредуктаза

Нитратредуктазы — это молибденовые ферменты , которые восстанавливают нитрат ( NO−
3) в нитрит ( NO−
2). Эта реакция имеет решающее значение для производства белка в большинстве сельскохозяйственных культур, поскольку нитрат является основным источником азота в удобренных почвах. [2]

Типы

Эукариотические

Эукариотические нитратредуктазы являются частью семейства сульфитоксидаз молибдоферментов. Они переносят электроны от НАДН или НАДФН к нитрату.

Прокариотические

Прокариотические нитратредуктазы относятся к семейству ДМСО-редуктаз молибдоферментов и подразделяются на три группы: ассимиляционные нитратредуктазы (Nas), дыхательные нитратредуктазы (Nar) и периплазматические нитратредуктазы (Nap). [3] Активным центром этих ферментов является ион молибдена , связанный с четырьмя тиолатными функциональными группами двух молекул птерина . Координационная сфера иона молибдена дополнена одной боковой цепью аминокислоты и лигандами кислорода и/или серы . В Nap молибден ковалентно присоединен к белку боковой цепью цистеина и боковой цепью аспартата в Nar. [4]

Структура

Прокариотические нитратредуктазы имеют два основных типа: трансмембранные нитратредуктазы (NAR) и периплазматические нитратредуктазы (NAP). NAR обеспечивает транслокацию протонов через клеточную мембрану и может способствовать образованию АТФ с помощью протондвижущей силы . NAP не может этого сделать. [5]

Трансмембранная дыхательная нитратредуктаза [6] состоит из трех субъединиц: 1 альфа, 1 бета и 2 гамма. Она может заменять фермент NRA в Escherichia coli , позволяя ей использовать нитрат в качестве акцептора электронов для анаэробного дыхания. [7] Трансмембранная нитратредуктаза, которая может функционировать как протонный насос (аналогично случаю анаэробного дыхания ), была обнаружена в диатомовых водорослях Thalassiosira weissflogii . [8]

Нитратредуктаза высших растений, водорослей и грибов представляет собой гомодимерный цитозольный белок с пятью консервативными доменами в каждом мономере: 1) домен Mo-MPT, содержащий единственный кофактор молибдоптерина , 2) домен интерфейса димера, 3) домен цитохрома b и 4) домен связывания NADH, который объединяется с 5) доменом связывания FAD, образуя фрагмент редуктазы цитохрома b. [9] Существует вариант, закрепленный на гликофосфатидилинозитоле , который находится на внешней поверхности плазматической мембраны. Его функция не ясна. [10] [ требуется обновление? ]

Механизм

В прокариотической периплазматической нитратредуктазе анион нитрата связывается с Mo(IV). Перенос кислорода дает оксо-промежуточный продукт Mo(VI) с высвобождением нитрита. Восстановление оксида Mo и протонолиз удаляют оксогруппу, восстанавливая Mo(IV). [11]

Подобно механизму восстановления нитрата прокариот, в эукариотической нитратредуктазе кислород в нитрате связывается с Mo в состоянии окисления (IV), вытесняя гидроксид-ион. Затем электроны d-орбитали Mo переворачиваются, создавая кратную связь между Mo(VI) и этим кислородом, выбрасывая нитрит. Двойная связь Mo(VI) с кислородом восстанавливается NAD(P)H, проходящим через внутримолекулярную транспортную цепь. [12]

Регулирование

Нитратредуктаза (NR) регулируется на транскрипционном и трансляционном уровнях, индуцируемых светом, нитратом и, возможно, механизмом отрицательной обратной связи. Сначала усвоение нитрата инициируется поглощением нитрата из корневой системы, восстанавливается до нитрита нитратредуктазой, а затем нитрит восстанавливается до аммиака нитритредуктазой. Затем аммиак поступает в путь GS-GOGAT для включения в аминокислоты. [13] Когда растение находится в состоянии стресса, вместо восстановления нитрата через NR для включения в аминокислоты, нитрат восстанавливается до оксида азота, который может иметь множество разрушительных последствий для растения. Таким образом, важность регулирования активности нитратредуктазы заключается в ограничении количества вырабатываемого оксида азота.

Инактивация нитратредуктазы

Инактивация нитратредуктазы имеет много этапов и много различных сигналов, которые способствуют инактивации фермента. В частности, в шпинате самым первым этапом инактивации нитратредуктазы является фосфорилирование NR на остатке серина 543. Самым последним этапом инактивации нитратредуктазы является связывание адаптерного белка 14-3-3, которое инициируется присутствием Mg 2+ и Ca 2+ . [14] Высшие растения и некоторые водоросли посттрансляционно регулируют NR путем фосфорилирования остатков серина и последующего связывания белка 14-3-3. [15]

Аноксические условия

Были проведены исследования по измерению поглощения нитрата и активности нитратредуктазы в бескислородных условиях, чтобы увидеть, есть ли разница в уровне активности и толерантности к аноксии. Эти исследования показали, что нитратредуктаза в бескислородных условиях повышает толерантность растений к меньшей аэрации. [14] Эта повышенная активность нитратредуктазы также была связана с увеличением высвобождения нитрита в корнях. Результаты этого исследования показали, что резкое увеличение нитратредуктазы в бескислородных условиях может быть напрямую связано с бескислородными условиями, вызывающими диссоциацию белка 14-3-3 из NR и дефосфорилирование нитратредуктазы. [14]

Приложения

Активность нитратредуктазы может быть использована в качестве биохимического инструмента для прогнозирования урожайности зерна и производства белка в зерне. [16] [17]

Нитратредуктазу можно использовать для проверки концентрации нитратов в биологических жидкостях. [18]

Нитратредуктаза способствует выработке аминокислот в листьях чая. [19] Сообщается, что в условиях Южной Индии чайные растения, опрысканные различными микроэлементами (такими как Zn, Mn и B) вместе с Mo, увеличили содержание аминокислот в побегах чая, а также урожайность. [20]

Ссылки

  1. ^ PDB : 1Q16 ; Bertero MG, Rothery RA, Palak M, Hou C, Lim D, Blasco F, Weiner JH, Strynadka NC (сентябрь 2003 г.). «Взгляд на путь переноса респираторных электронов из структуры нитратредуктазы A». Nature Structural Biology . 10 (9): 681–7. doi :10.1038/nsb969. PMID  12910261. S2CID  33272416.
  2. ^ Маршнер, Петра, ред. (2012). Минеральное питание высших растений по Маршнеру (3-е изд.). Амстердам: Elsevier/Academic Press. стр. 135. ISBN 9780123849052.
  3. ^ Морено-Вивиан, Конрадо Кабельо, Очищение Мартинес-Луке, Мануэль Бласко, Рафаэль Кастильо, Франциско. Восстановление нитрата прокариот: молекулярные свойства и функциональные различия бактериальных нитратредуктаз . Американское общество микробиологии. ОСЛК  678511191.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  4. ^ Tavares P, Pereira AS, Moura JJ, Moura I (декабрь 2006 г.). «Металлоэнзимы пути денитрификации». Журнал неорганической биохимии . 100 (12): 2087–100. doi :10.1016/j.jinorgbio.2006.09.003. PMID  17070915.
  5. ^ Kuypers MM, Marchant HK, Kartal B (май 2018 г.). «Микробная сеть азотного цикла». Nature Reviews. Microbiology . 16 (5): 263–276. doi : 10.1038/nrmicro.2018.9. hdl : 21.11116/0000-0003-B828-1 . PMID  29398704. S2CID  3948918.
  6. ^ "ENZYME entry: EC 1.7.99.4". База данных номенклатуры ферментов ENZYME . Получено 25 апреля 2019 г.
  7. ^ Blasco F, Iobbi C, Ratouchniak J, Bonnefoy V, Chippaux M (июнь 1990 г.). «Нитратредуктазы Escherichia coli: последовательность второй нитратредуктазы и сравнение с той, которая кодируется опероном narGHJI». Molecular & General Genetics . 222 (1): 104–11. doi :10.1007/BF00283030. PMID  2233673. S2CID  22797628.
  8. ^ Jones GJ, Morel FM (май 1988). "Окислительно-восстановительная активность плазмалеммы в диатомовых водорослях thalassiosira: возможная роль нитратредуктазы". Plant Physiology . 87 (1): 143–7. doi :10.1104/pp.87.1.143. PMC 1054714 . PMID  16666090. 
  9. ^ Campbell WH (июнь 1999). «Структура, функция и регуляция нитратредуктазы: преодоление разрыва между биохимией и физиологией». Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology . 50 (1): 277–303. doi :10.1146/annurev.arplant.50.1.277. PMID  15012211. S2CID  22029078.
  10. ^ Тишнер Р. (октябрь 2000 г.). «Поглощение и восстановление нитрата высшими и низшими растениями». Растение, клетка и окружающая среда . 23 (10): 1005–1024. doi : 10.1046/j.1365-3040.2000.00595.x .
  11. ^ Хилле, Расс; Холл, Джеймс; Басу, Парта (2014). «Моноядерные молибденовые ферменты». Chemical Reviews . 114 (7): 3963–4038. doi :10.1021/cr400443z. PMC 4080432. PMID  24467397 . 
  12. ^ Фишер К, Барбье ГГ, Хехт ХДж, Мендель РР, Кэмпбелл ВХ, Шварц Г (апрель 2005 г.). «Структурная основа эукариотической нитратредукции: кристаллические структуры активного центра нитратредуктазы». The Plant Cell . 17 (4): 1167–79. doi :10.1105/tpc.104.029694. PMC 1087994 . PMID  15772287. 
  13. ^ Тайз Л., Зейгер Э., Моллер И.М., Мерфи А. (2014). Физиология и развитие растений (6-е изд.). Массачусетс: Sinauer Associates, Inc., с. 356. ИСБН 978-1-60535-353-1.
  14. ^ abc Allègre A, Silvestre J, Morard P, Kallerhoff J, Pinelli E (декабрь 2004 г.). «Регулирование нитратредуктазы в корнях томатов экзогенным нитратом: возможная роль в толерантности к длительной корневой аноксии» (PDF) . Journal of Experimental Botany . 55 (408): 2625–34. doi : 10.1093/jxb/erh258 . PMID  15475378.
  15. ^ Wang Y, Bouchard JN, Coyne KJ (сентябрь 2018 г.). «Экспрессия новых генов нитратредуктазы во вредной водоросли Chattonella subsalsa». Scientific Reports . 8 (1): 13417. Bibcode :2018NatSR...813417W. doi :10.1038/s41598-018-31735-5. PMC 6128913 . PMID  30194416. 
  16. ^ Croy LI, Hageman RH (1970). «Связь активности нитратредуктазы с производством белка в зерне пшеницы». Crop Science . 10 (3): 280–285. doi :10.2135/cropsci1970.0011183X001000030021x.
  17. ^ Dalling MJ, Loyn RH (1977). «Уровень активности нитратредуктазы на стадии проростков как предиктор урожайности азота в зерне пшеницы (Triticum aestivum L.)». Австралийский журнал сельскохозяйственных исследований . 28 (1): 1–4. doi :10.1071/AR9770001.
  18. ^ Мори, Хисакадзу (2001). «Определение нитрата в биологических жидкостях с использованием нитратредуктазы в проточной системе». Журнал Health Science . 47 (1): 65–67. doi : 10.1248/jhs.47.65 . ISSN  1344-9702.
  19. ^ Ruan J, Wu X, Ye Y, Härdter R (1988). «Влияние калия, магния и серы, применяемых в различных формах удобрений, на содержание свободных аминокислот в листьях чая (Camellia sinensis L). J. Sci. Food Agric . 76 (3): 389–396. doi :10.1002/(SICI)1097-0010(199803)76:3<389::AID-JSFA963>3.0.CO;2-X.
  20. ^ Venkatesan S (ноябрь 2005 г.). «Влияние генотипа и применения микроэлементов на активность нитратредуктазы чайных листьев». J. Sci. Food Agric . 85 (3): 513–516. Bibcode : 2005JSFA...85..513V. doi : 10.1002/jsfa.1986.

Внешние ссылки

В статье использован текст из общедоступных источников Pfam и InterPro : IPR003816