stringtranslate.com

Нитратредуктаза

Нитратредуктазы – молибдоферменты , восстанавливающие нитраты ( NO−
3) в нитрит ( NO−
2). Эта реакция имеет решающее значение для производства белка большинством сельскохозяйственных растений, поскольку нитраты являются основным источником азота в удобренных почвах. [2]

Типы

Эукариотический

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

Прокариотический

Прокариотические нитратредуктазы принадлежат к семейству молибдоферментов ДМСО-редуктазы и подразделяются на три группы: ассимиляционные нитратредуктазы (Nas), респираторные нитратредуктазы (Nar) и периплазматические нитратредуктазы (Nap). [3] Активным центром этих ферментов является ион молибдена , который связан с четырьмя тиолатными функциональными группами двух молекул птерина . Координационная сфера иона молибдена завершается одной боковой цепью аминокислоты и кислородными и/или серными лигандами . В Nap молибден ковалентно присоединен к белку посредством боковой цепи цистеина и боковой цепи аспартата в Nar. [4]

Состав

Прокариотические нитратредуктазы делятся на два основных типа: трансмембранные нитратредуктазы (NAR) и периплазматические нитратредуктазы (NAP). NAR обеспечивает транслокацию протонов через клеточную мембрану и может способствовать генерации АТФ за счет движущей силы протонов . NAP не может этого сделать. [5]

Трансмембранная респираторная нитратредуктаза [6] состоит из трех субъединиц; 1 альфа, 1 бета и 2 гамма. Он может заменить фермент NRA в Escherichia coli , позволяя ей использовать нитрат в качестве акцептора электронов для анаэробного дыхания. [7] У диатомовой водоросли Thalassiosira weissflogii обнаружена трансмембранная нитратредуктаза, которая может функционировать как протонный насос (аналогично случаю анаэробного дыхания ) . [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) димерный интерфейсный домен, 3) цитохром b домен и 4) НАДН-связывающий домен, который объединяется с 5) FAD-связывающим доменом с образованием фрагмента редуктазы цитохрома b. [9] Существует гликофосфатидилинозитол -заякоренный вариант, который находится на внешней стороне плазматической мембраны. Его функция не ясна. [10] [ нужно обновить? ]

Механизм

В прокариотической периплазматической нитратредуктазе нитрат-анион связывается с Mo(IV). Перенос кислорода приводит к образованию оксо-промежуточного продукта Mo (VI) с высвобождением нитрита. Восстановление оксида Мо и протонолиз удаляют оксогруппу, регенерируя Мо(IV). [11]

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

Регулирование

Нитратредуктаза (NR) регулируется на уровнях транскрипции и трансляции, индуцируемых светом, нитратами и, возможно, механизмом отрицательной обратной связи. Сначала ассимиляция нитрата инициируется поглощением нитрата из корневой системы, который восстанавливается до нитрита нитратредуктазой, а затем нитрит восстанавливается до аммиака нитритредуктазой. Затем аммиак поступает в путь GS-GOGAT и включается 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 повреждающих эффектов на растение. Таким образом, важность регулирования активности нитратредуктазы заключается в ограничении количества вырабатываемого оксида азота.

Инактивация нитратредуктазы

Инактивация нитратредуктазы состоит из многих этапов и множества различных сигналов, которые помогают инактивировать фермент. В частности, в шпинате самым первым этапом инактивации нитратредуктазы является фосфорилирование NR по остатку 543-серина. 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 нитратов и активности нитратредуктазы в бескислородных условиях, чтобы увидеть, существует ли разница в уровне активности и толерантности к аноксии. Эти исследования показали, что нитратредуктаза в бескислородных условиях повышает толерантность растений к меньшей аэрации. [14] Повышенная активность нитратредуктазы также была связана с увеличением высвобождения нитритов в корнях. Результаты этого исследования показали, что резкое увеличение уровня нитратредуктазы в аноксических условиях может быть напрямую связано с аноксическими условиями, вызывающими диссоциацию белка 14-3-3 от NR и дефосфорилирование нитратредуктазы. [14]

Приложения

Активность нитратредуктазы можно использовать в качестве биохимического инструмента для прогнозирования урожайности зерна и производства белка в зерне. [16] [17]

Нитратредуктаза может использоваться для проверки концентрации нитратов в биожидкостях. [18]

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

Рекомендации

  1. ^ PDB : 1К16 ​; Бертеро М.Г., Ротери Р.А., Палак М., Хоу С., Лим Д., Бласко Ф., Вайнер Дж.Х., Стринадка Н.К. (сентябрь 2003 г.). «Понимание дыхательного пути переноса электронов на основе структуры нитратредуктазы А». Структурная биология природы . 10 (9): 681–7. дои : 10.1038/nsb969. PMID  12910261. S2CID  33272416.
  2. ^ Маршнер, Петра, изд. (2012). Минеральное питание высших растений по Маршнеру (3-е изд.). Амстердам: Elsevier/Academic Press. п. 135. ИСБН 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. ^ Таварес П., Перейра А.С., Моура Дж.Дж., Моура I (декабрь 2006 г.). «Металлоферменты пути денитрификации». Журнал неорганической биохимии . 100 (12): 2087–100. doi :10.1016/j.jinorgbio.2006.09.003. ПМИД  17070915.
  5. ^ Кайперс М.М., Марчант Х.К., Картал Б. (май 2018 г.). «Микробная сеть круговорота азота». Обзоры природы. Микробиология . 16 (5): 263–276. дои : 10.1038/nrmicro.2018.9. hdl : 21.11116/0000-0003-B828-1 . PMID  29398704. S2CID  3948918.
  6. ^ «Запись ФЕРМЕНТА: EC 1.7.99.4» . ENZYME База данных номенклатуры ферментов . Проверено 25 апреля 2019 г.
  7. ^ Бласко Ф, Иобби С, Ратушняк Дж, Боннефой В, Чиппо М (июнь 1990 г.). «Нитратредуктазы Escherichia coli: последовательность второй нитратредуктазы и сравнение с последовательностью, кодируемой опероном narGHJI». Молекулярная и общая генетика . 222 (1): 104–11. дои : 10.1007/BF00283030. PMID  2233673. S2CID  22797628.
  8. ^ Джонс GJ, Морель FM (май 1988 г.). «Окислительно-восстановительная активность плазмалеммы диатомовой талассиозы: возможная роль нитратредуктазы». Физиология растений . 87 (1): 143–7. дои : 10.1104/стр.87.1.143. ПМЦ 1054714 . ПМИД  16666090. 
  9. ^ Кэмпбелл WH (июнь 1999 г.). «Структура, функции и регуляция нитратредуктазы: преодоление разрыва между биохимией и физиологией». Ежегодный обзор физиологии растений и молекулярной биологии растений . 50 (1): 277–303. doi :10.1146/annurev.arplant.50.1.277. PMID  15012211. S2CID  22029078.
  10. ^ Тишнер Р. (октябрь 2000 г.). «Поглощение и снижение нитратов высшими и низшими растениями». Растение, клетка и окружающая среда . 23 (10): 1005–1024. дои : 10.1046/j.1365-3040.2000.00595.x .
  11. ^ Хилле, Расс; Холл, Джеймс; Басу, Парта (2014). «Моноядерные молибденовые ферменты». Химические обзоры . 114 (7): 3963–4038. дои : 10.1021/cr400443z. ПМК 4080432 . ПМИД  24467397. 
  12. ^ Фишер К., Барбье Г.Г., Хехт Х.Дж., Мендель Р.Р., Кэмпбелл В.Х., Шварц Г. (апрель 2005 г.). «Структурные основы восстановления нитрата эукариот: кристаллические структуры активного центра нитратредуктазы». Растительная клетка . 17 (4): 1167–79. дои : 10.1105/tpc.104.029694. ПМЦ 1087994 . ПМИД  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 Аллегре А., Сильвестр Дж., Морар П., Каллерхофф Дж., Пинелли Э. (декабрь 2004 г.). «Регуляция нитратредуктазы в корнях томатов с помощью экзогенных нитратов: возможная роль в толерантности к длительной корневой аноксии» (PDF) . Журнал экспериментальной ботаники . 55 (408): 2625–34. дои : 10.1093/jxb/erh258 . ПМИД  15475378.
  15. ^ Ван Ю, Бушар Дж. Н., Койн К. Дж. (сентябрь 2018 г.). «Экспрессия новых генов нитратредуктазы у вредной водоросли Chattonella subsalsa». Научные отчеты . 8 (1): 13417. Бибкод : 2018NatSR...813417W. дои : 10.1038/s41598-018-31735-5. ПМК 6128913 . ПМИД  30194416. 
  16. ^ Крой Л.И., Хагеман Р.Х. (1970). «Связь активности нитратредуктазы с производством зернового белка пшеницы». Растениеводство . 10 (3): 280–285. doi : 10.2135/cropsci1970.0011183X001000030021x.
  17. ^ Даллинг М.Дж., Лойн Р.Х. (1977). «Уровень активности нитратредуктазы на стадии рассады как показатель урожайности азота в зерне пшеницы (Triticum aestivum L.)». Австралийский журнал сельскохозяйственных исследований . 28 (1): 1–4. дои : 10.1071/AR9770001.
  18. ^ Мори, Хисакадзу (2001). «Определение нитратов в биологических жидкостях с использованием нитратредуктазы в проточной системе». Журнал науки о здоровье . 47 (1): 65–67. дои : 10.1248/jhs.47.65 . ISSN  1344-9702.
  19. ^ Руан Дж, Ву X, Йе Ю, Хардтер Р (1988). «Влияние калия, магния и серы, вносимых в различные формы 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. ^ Венкатесан С (ноябрь 2005 г.). «Влияние генотипа и применения микроэлементов на активность нитратредуктазы чайных листьев». Дж. Наук. Продовольственное сельское хозяйство . 85 (3): 513–516. Бибкод : 2005JSFA...85..513В. дои : 10.1002/jsfa.1986.

Внешние ссылки

В эту статью включен текст из общественного достояния Pfam и InterPro : IPR003816.