Szimbiotikus nitrogénkötés

Szimbiotikus nitrogénkötés Nitrogén körforgalom, kémiai és biológiai nitrogénkötés - szabadonélő, asszociatív és szimbiotikus nitrogénkötés. Növény-baktérium kapcsolatok: az agrobaktériumok és a rhizobiumok összehasonlítása, gazdanövények, gazdaspecifitás. A biológiai nitrogénkötés vizsgálatának módszerei, a kezdet és ma : morfológiai, biokémiai, genetikai, molekuláris biológiai megközelítések, népszerű kísérleti rendszerek. A rhizobium genom. A szimbiózis kialakulása: növényi faktorok, a nodulációs gének azonosítása.szerepe, regulációja. A szimbiózis kialakulása: a nodulációs gének regulációja. A növény inváziójában szerepet játszó gének és struktúrák: exopoliszacharidok, kapszuláris poliszacharidok, lipopoliszacharidok. Invázió és a környezethez való alkalmazkodás: ozmotolerancia, pH tolerancia és a szabályozásért felelős gének azonosítása. A nitrogénkötés génjei : a fix és nif gének azonosítása, a géntermékek szerkezete és szerepe. A nif gének szabályozása : a kötött nitrogén és az oxigén szerepe, regulációs körök. A rhizobium genom. Tovább a genomszekvencia ismeretében.

Putnoky – PTE 2004.11.01.

A nitrogén körforgalma

DENITRIFIKÁCIÓ

dinitrogén N2

NITROGÉNFIXÁLÁS AMONIFIKÁCIÓ

nitrát NO-3

ammónia NH+4

aminosavak, fehérjék ...

NITRIFIKÁCIÓ

nitrit NO-2 ASSZIMILÁCIÓ





nitrát NO-3

ammónia NH+4


nitrit NO-2 ASSZIMILÁCIÓ


Asszimilációs nitrát redukció A nitrát nitrogénjének beépítése a fehérjékbe - két út : GDH és GS-GOGAT

GDH: glutamát dehidrogenáz kevés energiaigény (NADH, NADPH) rossz hatásfok: reverzibilis reakció, alacsony affinitás


GS: glutamin szintetáz glutaminsav + NH3 + ATP

glutamin + H2O + ADP + Pi

hatékony enzim, nagy affinitással az amóniához, de ATP felhasználás

GOGAT: glutamin-oxoglutarát aminotranszferáz (glutamát szintáz) glutamin

+

ketoglutarát

+

NADH

2 glutarát

+

NAD+




AMONIFIKÁCIÓ

nitrát NO-3

ammónia NH+4


NITRIFIKÁCIÓ

nitrit NO-2


Ammonifikálás A bomlási folyamatokban az ammónia felszabadul (GDH fordított reakció pl.) aminosavak hidrolízise – deaminázok) amidokból – deamidázok (ureáz) - „istálószag” szabad ammónia jelenik meg – talajban jól kötődik a növények inkább a nitrátotpreferálják Nitrifikálás kemotróf baktériumok - NH3 energiaforrás a CO2 „fixáláshoz” (fény helyett) Nitrosomonas, ammónia – nitrit reakció Nitrobacter nitrit – nitrát oxidáció (kevesebb faj) a nitrátot jobban felveszik a növények, de gyorsabban kimosódik a rhizoszférából, műtrágyázás és a nitrátos vizek



dinitrogén N2

nitrát NO-3

DENITRIFIKÁCIÓ Disszimilációs nitrát redukció -oxidációhoz kötött, NO-3 oxigénforrás -csökken a Földi kötöt N-tartalom, nitrogénkötés -Pseudomonas, Micrococcus, Thiobacillus



dinitrogén N2

NITROGÉNFIXÁLÁS

A dinitrogén A Föld légkörének 78 % nitrogéngáz 20% oxigéngáz

ammónia NH+4


Az élőlények 1,5 x 1010 tonna nitrogét tartalmaznak, ebből évente 1 x 109 tonna nitrogén vesz részt a körforgásban 2 x 108 tonna nitrogént forgalmaz évente nitrogénkötés


A biológiai nitrogénkötés – „nitrogén fixálás”

N2 + 10H+ + 8e- + nMgATP

2 NH4+ + H2 + nMgADP + nPi

(n>15)

csak egyes prokarióta mikroorganizmusok képesek rá jelentősége: - kötött nitrogén utánpótlása - az ammónia azonnal asszimilálódik mezőgazdaság – növényekkel asszociált mikróbák a jelentősek Haber-Bosch eljárás: a dinitrogén redukciója ammóniává : katalitikus, magas hőmérséklet, nyomás, energiaigényes Fizikai hatások: villámlás , UV, motorok - nitrogén oxidok, Kötött nitrogén pótlása: Az arányok a társadalmi fejlettségtől, és a helyi adottságoktól függenek. A két utolsó azonos is lehet, az első nem olyan jelentős (10-20%). szabadonélő mikróbák, szimbiózis (pillangósok) műtrágya Putnoky – PTE 2004.11.01.

A nitrogenáz enzim 1940-50 sikertelen tisztítási kísérletek 1960 Clostridium pasteurianum, anaerob baktérium, extrakt tisztítás anaerob körülmények között: az oxigén azonnal tönreteszi az aktivitást

15N 2

Æ

15NH 3

további tisztítás (centrifugálás, elektroforézis, kromatoráfiás oszlopok, ... stb) mikroaerob megoldása sokféle forrásból majdnem ugyanaz az enzim, felcsrélhető komponensek Clostridium pasteurianum Klebsiella pneumoniae Azotobacter croococum

baci

Cp1

Kp1

Ac1

Cp2

Kp2

Ac2

Mw (kDal) Mo atom Fe atom szulfid csoport féléletidő (min)

220 2 22-24 22-24 rövid

218 2 30-35 >18 10

227 2 21-25 18-22 10

55 0 4 4 vsh

67 0 4 4 0,75

64 0 4 4 0,5


A nitrogenáz enzimkomplex : a Mo-Fe protein és az Fe protein – nitrogenáz / nitrogenáz reduktáz a ferredoxin redukcióját fotoszintézis, respráció vagy fermentáció fedezi


Nitrogénkötő baktériumok

SZABADONÉLŐ

ASSZOCIATÍV

ENDOSZIMBIOTIKUS

Azotobacter Beijerinckia

Clostridium (néhány) Desulfovibrio

Pillangósokkal (Fabaceae) rhizobiumok - Rhizobiales Azorhizobium, Bradyrhizobium, Mesorhizobium, Rhizobium, Sinorhizobium

Klebsiella

(néhány)

Cyanobacteria* (néhány),

bíbor kénbaktériumok* bíbor nem-kénbaktériumok* zöld kénbaktériumok* Cyanobacteria* zuzmók, cikászok Azospirillum, Azotobacter

Más növényekkel Azospirillum Frankia (Actinomycetales, Gram +)

(*fotoszintetizáló)


SZABADONÉLŐ Klebsiella pneumoniae -a nitrogénkötés génjeinek megismerése, kezdeti modellorganizmus Azospirillum, Azotobacter fajok: a gyökerek (kukorica) közelében a gyökér által kibocsájtott cukrok és egyéb szerves anyagok felhasználásával nyerhetik az energiát, laza asszociatív szimbiózis, kisebb jelentőség

Cyanobacteria*

- szabadonélő és asszociatív nitrogénkötők


ASSZOCIATÍV kapcsolatok

Cyanobacteria*

- szabadonélő és asszociatív nitrogénkötők

criptobiotikus kéreg a sivatagi homokon (Utah) – jobb fölső és közép – az első betelepülők (Mars?), cianobaktériumok, gombák, zuzmók, zöldalgák


Száraz barna kéreg, egy része (négyzet) - nedvesítés után – középen látható - zuzmók (nyíl, négyzet) és cianobaktérium pázsit (karika) egy cianobktérium (Nostoc) felépítése: fotoszintetizáló filamentumok, fotoszisztem I és II, - oxigén termelés heterociszták (H) – megnagyobbodott, nitrogénkötésre specializálódott sejtek – nincs oxigén termelés, csak PS-I (ATP) és nitrogenáz enzim


Azolla – Anabena asszociáció, levélben - rizsföldek növekedés és talajba kerülés után fokozza a kötött N2 tartalmat

cikász - cianobaktérium asszociáció : a baktérium a talaj felszínén elágazó léggyökerekben található


Szimbiotikus nitrogénkötés

Recommend Documents