Məlumat

Azot mübadiləsi - Biologiya

Azot mübadiləsi - Biologiya


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Azot mübadiləsi

Köklərdə azot mübadiləsi

Torpağın şoranlaşması nəticəsində məhsul itkisi bütün dünyada kənd təsərrüfatı üçün artan təhlükədir. Bu icmal bitkilərin duza reaksiyasında hüceyrə və fizioloji mexanizmlərin icmalını təqdim edir. Biz hüceyrə cavablarını zaman və toxumadan asılı kontekstdə yerləşdiririk. Daha çox oxu

Şəkil 1: Natriumun tədqiqi və idxalı duz stress reaksiyalarının qara qutusudur. Na+ spesifik aşağı axın reaksiyalarına səbəb olur, lakin bitkilərin natrium hissetmə mexanizmi hələ də müəyyən edilməmişdir. Sensing.

Şəkil 2: Hüceyrə duzunun stress siqnalı zamanla. Hüceyrə reaksiyaları duz tətbiqindən sonra müxtəlif fazalarda yerləşdirilə bilər. Erkən siqnalizasiya duz stressindən sonra 5 dəqiqə ərzində müşahidə edilən dəyişiklikləri təmsil edir.

Şəkil 3: Duzun səbəb olduğu fenotipik dəyişikliklər üçün toxuma spesifik ion nəqlinin, hormon siqnalının və toxuma böyüməsinin aktuallığı. (a) Arabidopsis tumurcuqlarında Na+ çiçəklənməni gecikdirir və absisik əmələ gətirir.

Şəkil 4: Duza dözümlü bitkilərin uğur hekayələri: duza dözümlülük nisbətən yüksək olan müxtəlif bitki növləri. (a) Fransanın cənubundakı halofit Salicornia. (b) Solanum pennellii, vəhşi qohum.


Kənd təsərrüfatında CRISPR/Cas Genom Redaktə və Həssas Bitki Yetiştiriciliği

Kunling Chen, Yanpeng Wang, Rui Zhang, Huawei Zhang, Caixia Gao
Cild 70, 2019

Mücərrəd

Yenilikçi yetişdirmə texnologiyası ilə inkişaf etmiş kənd təsərrüfatı istehsalına bütün dünyada qidalı qidaların daxil olmasını artırmaq üçün təcili olaraq ehtiyac var. CRISPR/Cas genom redaktorluğundakı son irəliləyişlər, əksər məhsullarda səmərəli məqsədli modifikasiyaya imkan verir, beləliklə də perspektivlidir. Daha çox oxu

Şəkil 1: Müasir kənd təsərrüfatında istifadə edilən damazlıq üsullarının müqayisəsi. Çarpaz yetişdirmə: elit bir alıcı xəttini bir donor xətti və seleksiya ilə keçərək bir xüsusiyyəti (məsələn, xəstəliyə qarşı müqaviməti) yaxşılaşdırmaq.

Şəkil 2: Genomun redaktəsi və digər manipulyasiyalar üçün CRISPR/Cas sistemləri. (a) Bitki genomu mühəndisliyi üçün istifadə olunan iki CRISPR/Cas sistemi: Cas9 və Cpf1. (b) CRISPR/Cas sistemləri ilə genom düzəlişləri ola bilər.

Şəkil 3: Əsas tənzimləmə mexanizmləri. (a) CBE vasitəçiliyi ilə C-to-T əsas redaktə strategiyası. Deaminazlara rAPOBEC1, hAID, PmCDA1 və hA3A daxildir. (b) ABE-nin vasitəçiliyi ilə A-dan G-ə qədər baza düzəliş strategiyası. Deamina.

Şəkil 4: CRISPR/Cas sistemləri üçün zavodlara çatdırılma strategiyaları. (a) CRISPR/Cas DNA üçün herbisid və ya antibiotik seçimi ilə birləşdirilmiş ənənəvi çatdırılma üsulları. Transgensiz bitkilər əldə edilə bilər.

Şəkil 5: Bitkiçilik üçün CRISPR/Cas əsaslı potensial tətbiqlərə ümumi baxış. CRISPR/Cas vasitəçiliyi ilə məhsul xüsusiyyətlərinin yaxşılaşdırılması əsasən məhsuldarlığa, keyfiyyətə, biotik və abiotik müqavimətə diqqət yetirir. (a) CR.

Şəkil 6: İdeal çatdırılma strategiyaları. (Üst panellər) Mövcud çatdırılma sistemlərindəki inkişaflar və növlərin məhdudiyyətlərini aşmaq və toxuma mədəniyyəti addımını sürətləndirmək üçün inkişaf genlərinin tənzimlənməsi.


Maddələr mübadiləsinin xülasəsi

Hüceyrə səviyyəsində bütün canlı maddələrin əsas kimyəvi prosesləri eyni olmasa da, oxşardır. Bu, variasiyaların baş verdiyi heyvanlar, bitkilər, göbələklər və ya bakteriyalar üçün doğrudur (məsələn, bəzi qəliblər tərəfindən antikorların ifrazı kimi) variant prosesləri ümumi mövzular üzrə variasiyalardır. Beləliklə, bütün canlı maddələr dəstək və koordinasiyalı hərəkəti, həmçinin kiçik molekulların saxlanmasını və daşınmasını təmin edən və katalizator kimi kimyəvi reaksiyaların nisbətən mülayim temperaturda sürətlə və xüsusi olaraq baş verməsini təmin edən zülal adlanan böyük molekullardan ibarətdir. aşağı konsentrasiya və neytral şərait (yəni, nə turşu, nə də əsas). Zülallar 20-yə yaxın amin turşusundan yığılır və əlifbanın 26 hərfi xüsusi üsullarla yığılaraq müxtəlif uzunluq və mənalı sözlər əmələ gətirə bildiyi kimi, 20 amin turşusu “hərfindən” onlarla, hətta yüzlərləsi də ola bilər. xüsusi zülallar əmələ gətirmək üçün birləşdirilir. Üstəlik, müxtəlif orqanizmlərdə oxşar funksiyaları yerinə yetirən zülal molekullarının həmin hissələri çox vaxt eyni amin turşuları ardıcıllığını təşkil edir.

Canlı orqanizmlərin öz fərdiliyini qoruyub nəsillərinə ötürmə tərzində bütün növ hüceyrələr arasında eyni birlik mövcuddur. Məsələn, irsi məlumat hər bir hüceyrənin nüvəsindəki DNT (dezoksiribonuklein turşusu) molekulunu təşkil edən əsasların müəyyən ardıcıllığı ilə kodlanır. DNT-nin sintezində yalnız dörd əsasdan istifadə olunur: adenin, guanin, sitozin və timin. Morze əlifbası üç sadə siqnaldan - tire, nöqtə və boşluqdan ibarət olduğu kimi, onların dəqiq düzülüşü kodlanmış mesajları ötürmək üçün kifayət edir, DNT-dəki əsasların dəqiq düzülüşü də sintez üçün məlumatı ehtiva edir və çatdırır. hüceyrə komponentlərinin yığılması. Bəzi ibtidai həyat formaları isə genetik məlumatın əsas daşıyıcısı kimi DNT yerinə RNT-dən (ribonuklein turşusu şəkər dezoksiriboza əvəzinə şəkər ribozunu və əsas timin əvəzinə əsas urasil ehtiva edən DNT-dən fərqlənən nuklein turşusu) istifadə edirlər. . Bu orqanizmlərdə genetik materialın təkrarlanması DNT mərhələsindən keçməlidir. Kiçik istisnalarla, bütün canlı orqanizmlərin istifadə etdiyi genetik kod eynidir.

Canlı hüceyrələrdə baş verən kimyəvi reaksiyalar da oxşardır. Yaşıl bitkilər suyu çevirmək üçün günəş işığının enerjisindən istifadə edirlər (H2O) və karbon qazı (CO2) karbohidratlara (şəkər və nişastalara), digər üzvi (karbon tərkibli) birləşmələrə və molekulyar oksigenə (O)2). Fotosintez prosesi bir su molekulunu oksigen molekulunun yarısına (O) parçalamaq üçün günəş işığı şəklində enerji tələb edir.2 oksidləşdirici maddə) və hər biri bir hidrogen ionuna (H +) və bir elektrona ayrılan iki hidrogen atomu (reduksiya edən H). Bir sıra oksidləşmə-reduksiya reaksiyaları vasitəsilə elektronlar (ifadə edilir e − ) bir sıra kimyəvi reaksiyalar nəticəsində donor molekuldan (oksidləşmə), bu halda sudan qəbul edən molekula (reduksiyaya) keçir. . Əslində, karbon qazı hidrogeni qəbul edir və onunla birləşərək karbohidratlar əmələ gətirir (Cn[H2O]n).

Oksigenə ehtiyacı olan canlı orqanizmlər bu prosesi tərsinə çevirir: karbohidratlar və digər üzvi materialları istehlak edərək, su, karbon qazı və enerji əmələ gətirmək üçün bitkilər tərəfindən sintez edilən oksigendən istifadə edirlər. Karbohidratlardan hidrogen atomlarını (elektronları olan) çıxaran və onları oksigenə ötürən proses enerji verən bir sıra reaksiyalardır.

Bitkilərdə karbon dioksidi karbohidratlara çevirən prosesdəki iki addımdan başqa hamısı heyvanlarda, göbələklərdə və bakteriyalarda daha sadə başlanğıc materiallardan şəkər sintez edən addımlarla eynidir. Eynilə, müəyyən bir başlanğıc materialı götürən və digər sintetik yollarda istifadə ediləcək müəyyən molekulları sintez edən reaksiyalar seriyası bütün hüceyrə növləri arasında oxşar və ya eynidir. Metabolik nöqteyi-nəzərdən, bir aslanda baş verən hüceyrə prosesləri dandelionda baş verənlərdən yalnız bir qədər fərqlidir.


11 - Azot, onun metabolizmi və ekosistemlərə potensial töhfəsi

Azot zülalların və nuklein turşularının əmələ gəlməsində həyat üçün vacib olan makronutrientdir. Onun məhdud əlçatanlığı tez-tez həm likenlər (Fəsil 13 və Crittenden et al. 1994), həm də bütövlükdə ekosistemlər kimi fərdi orqanizmlərin böyüməsini və məhsuldarlığını məhdudlaşdırır. Digər tərəfdən, azot, gübrə istifadəsi və/və ya heyvandarlıqla bağlı yüksək ammonyak çökməsinin təsirinə məruz qalan bəzi bölgələrdə də həddindən artıq miqdarda ola bilər. Azot Yer qabığının materialının bir hissəsi olmadığı üçün süxurların aşınması və sonrakı torpaq əmələ gəlməsi bir çox başqa elementlər üçün olduğu kimi azot mənbəyini təmin etmir. Daha doğrusu, əsas azot hovuzu əksər orqanizmlər tərəfindən asanlıqla istifadə edilməyən atmosfer azotu N 2-dir. Nitrat (NO 3 - ) və ammonyak (NH 3 və ya ammonium ionları, NH 4 + ) orqanizmlər tərəfindən universal şəkildə işlənən azotun qeyri-üzvi formalarıdır və onların mövcudluğu yaşıl yosun likenlərinin böyüməsi və sağ qalması üçün çox vacibdir (Fəsil 10). ). Xlorolichenlərlə azot konsentrasiyası çox vaxt bu ionların atmosferdə çökməsi ilə əlaqəli ola bilər (Hyvärinen və Crittenden 1998 a). Ən azı bəzi siyanolikenlər atmosfer N2-dən birbaşa istifadə edə bilən bəzi bakteriyalar və aktinomisetlər də daxil olmaqla kiçik orqanizmlər qrupunun bir hissəsidir. Nəticədə siyanolikenlərdə xlorolichenlərdən (0,4-0,85%) daha yüksək ümumi N konsentrasiyası (2,2-4,7%) var (Rai 1988). Sianolichenlər bir sıra ekosistemlərdə bol olduğundan, onların bu ekosistemlərdə azot fiksasiyasına potensial töhfələri bu likenlər tərəfindən azot fiksasiya sürətinin kəmiyyətcə müəyyənləşdirilməsi və onların fiksasiya sürətlərini məhdudlaşdıran ekoloji və fizioloji amillərin başa düşülməsi cəhdlərinə səbəb olmuşdur.


Azot mübadiləsi - Biologiya

Orqanizmin funksiyası və quruluşu kimi əsas xüsusiyyətlərini müəyyən edən zülallar və nuklein turşuları olan polimer azotdur. Metabolik yolların işləməsi və mexanizmi zülallar tərəfindən təmin edilir. Genetik məlumat nuklein turşusu polimerlərində saxlanılır. Bu makromolekulların monomerlərinin hər biri fərdi metabolik yola malikdir. Bundan əlavə, monomerik nukleotidlər əsas ara məhsullar kimi enerji dövriyyəsi üçün vacibdir hamısı metabolik yollar və həmçinin ikinci xəbərçi molekullar kimi, tez-tez siklik nukleotidlər şəklində.

Amin turşuları qlükoneogenez vasitəsilə karbohidrat sintezinə, asetil-KoA vasitəsilə yağ sintezinə və ya enerji istehsalına və katekolaminlər (neyrotransmitterlər), tiroid hormonları, kreatin (-fosfat), protoporfirin halqası (hem) kimi xüsusi azot birləşmələrinə kömək edir. azot qrupu donoru kimi nuklein turşusu və fosfolipid sintezi.

Bütün azot mübadiləsi ammonyak NH-nin təkrar emalına əsaslanır3 neytral və ya yüklü formada NH4 + (ammonium ionu). Ammonyak yer üzündə azotun əsas forması deyil, əksinə, həyat formalarının artan ehtiyacını təmin etmək üçün onu doldurmaq lazımdır. Nə qədər sadə səslənsə də, böyüyən bakteriya mədəniyyəti kiçik üzvi və qeyri-üzvi molekullar şəklində xammala ehtiyac duyur. NH3 nəticədə atmosfer N-dən əldə edilir2. Azot fiksasiyası adlanan prosesdə bəzi bakteriya növləri, simbiotik eubakteriyalar Rhizobium (bitki kök düyünlərində) və arxeya siyanobakteriyalar (əvvəllər mavi-yaşıl yosunlar) molekulyar azotun ammonyaka qədər azaldılması üçün ferment kompleksi ehtiva edir. Budur nitrogenaza kompleksi və elektronların ferredoksindan N-ə ötürülməsi üçün Fe-S və Mo-Fe kofaktorlarını ehtiva edir.2. Azotun azaldılması prosesi son dərəcə enerjidən asılıdır. Molekulyar azotda üçqat bağ enerjisi 225 kkal/mol təşkil edir və ammonyakın sənaye istehsalı üçün 500 dərəcə Selsi temperaturu və 300 atmosfer təzyiq tələb olunur. Rhizobium 8 azaldıcı ekvivalent və 16 ATP istifadə edir:

Bu reaksiya reduktaza və nitrogenaza hissəsindən ibarət hetero-oliqomerik zülal kompleksi tərəfindən kataliz edilir. The reduktaza 4Fe-4S klasterini və subunit interfeysində ATP bağlama yerini ehtiva edən homodimerdir. The nitrogenaza (EC 1.18.6.1 PDB girişi 1N2C) 2 b 2 alt vahid stokiometriyaya malik hetero-tetramerdir. ab interfeysi P klasterini (iki 4Fe-4S klasterini ehtiva edir) ehtiva edir. reduktaza və N2 bağlama yerini təşkil edən iki Mo-3Fe-3S klasterini ehtiva edən Mo-Fe kofaktoru ilə oksidləşir. Nitrogenase kompleksinin tam strukturu üçün Azotobakter Vinelandii Bura basın.

The reduktaza (Clostridium Pasterianum EC 1.19.6.1-dən PDB strukturu) ya fotosintetik membranlar (PSI) və ya oksidləşdirici katabolizmlə təmin edilən ferredoksini oksidləşdirmək üçün istifadə edilən 4Fe-4S kompleksini ehtiva edir. Reduktaza ardıcıl olaraq 8 elektronu nitrogenaza kofaktoruna, tərkibində molibden-dəmir olan aktiv mərkəzə verir, burada bir molekul N.2 protonların iştirakı ilə 2 NH-ə qədər azalır3, və H2 yan məhsul kimi. Reduksiya katalizi reduktaza alt bölməsi tərəfindən hidrolizə edilmiş on altı ATP molekulu ilə təchiz edilir. Molekulyar oksigen nitrogenaz Mo-Fe kofaktorunun güclü inhibitorudur və bitki oksigen bağlayan zülal tərəfindən xaric edilir. leghemoqlobin kök düyünlərində.

Heyvanların metabolizmi üçün faydalı azotun əksəriyyəti təkrar istifadə edilə bilən ammonyak (NH3) şəklində zülallardan gəlir. Azot mikroorqanizmlər tərəfindən ammonyak şəklində fiksasiya olunur (amin turşularının sintezi fəslinə baxın) və bütün "ali" həyat formaları (eukariotlar) havadan çıxarılan bu ilkin azot mənbəyindən asılıdır. Zülalların "faydalılığı" dörd fərqli xüsusiyyətdən asılıdır:

Bəzi amin turşuları insan hüceyrələrində sintez oluna bilər, bəziləri isə mümkün deyil. Sonuncular əsas amin turşuları adlanır, yəni onlar pəhriz komponentləridir. Qeyri-əsas amin turşuları isə bir-birinə çevrilə və ya sintez edilə bilər de novo karbohidrat, nuklein turşusu və ya lipid ara məhsullarından, bir şərtlə ki, a ümumi azotun adekvat mənbəyi mövcuddur. Əsas amin turşuları üçün heç bir metabolik yol yoxdur de novo bakteriya və bitkilər istisna olmaqla sintez. Buna görə də insanlar bu əsas amin turşularının gündəlik balanslı qəbuluna ehtiyac duyurlar. Heyvanlar və insanlar arasındakı təkamül əlaqəsi sayəsində ət və süd belə balanslaşdırılmış amin turşusu pəhrizini təmin edir. İnsan zülalının sintezi üçün vacib olan amin turşularının siyahısına budaqlanmış amin turşuları daxildir İzolösin, Leysin, və Valin, kükürd tərkibli Metionin, hidrofilik amin turşuları LizinTreonin, və aromatik amin turşuları FenilalaninTriptofan. Amin turşuları ArgininHistidin insan hüceyrələrində sintez olunur, lakin zülal sintezi üçün sürəti məhdudlaşdıran amillərə çevrilərsə, yavaş-yavaş və beləliklə, vacib hesab edilə bilər.

Azot balansı zülal sintezinin və deqradasiyasının göstəricisidir. Müsbət azot balansı azot tərkibli birləşmənin qəbulunun bədəndən itirilən azotdan artıq olduğunu göstərir. Müsbət azot balansı zülalların və nuklein turşularının xalis sintezi ilə əlaqələndirilir. Bu, açıq şəkildə bir orqanizmin böyümə vəziyyətini təsvir edir - uşaqlıq, hamiləlik, xəstəlikdən sağalma. Bunun əksi zülalların xalis deqradasiyası ilə nəticələnir. Azot itiriləndən daha az alınır, bir vəziyyətdir mənfi azot balansı. Əsas amin turşularının buraxılması və bunun yalnız bir növə təsir etməsi, mənfi azot balansına səbəb olur, çünki bu, protein sintezi üçün sürəti məhdudlaşdıracaq. Sağlam bir bədən azotun qəbulu və itkisinin bərabər olduğu azot tarazlığı (sabit vəziyyət tarazlığı) ilə xarakterizə olunur. Murreyin "İnsan metabolizmasının əsasları" əsərindən bir sitat təqdim edirik:

Bu dövriyyə prosesinin əsas tənzimləyici elementi sərbəst amin turşusu hovuzu kimi əks olunan azot balansıdır. Bu hovuz pəhriz zülalları və toxuma zülalının deqradasiyası ilə bərpa olunur və azot səviyyəsinin homeostazını qoruyarkən zülal sintezinin, eləcə də azot ifrazının mənbəyidir.

Dövriyyə dərəcələri ən yaxşı bioloji yarı ömrü kimi təsvir edilir. Bütün bədən zülallarının tam dövriyyəsi üçün təxmini 2-3 həftə vaxt verilmişdir (əhəmiyyətli dəyişikliklərlə). Fərdi zülalların və ya xüsusi zülal ailələrinin dövriyyə sürəti bir saatdan az ola bilər. Faktiki rəqəmlərə görə, hər gün protein sintezinin sürəti təxminən 500 q və ya orta pəhriz qəbulundan təxminən beş dəfə çox qiymətləndirilir. Aydındır ki, iş başında yüksək səmərəli amin turşusu emalı maşını var. Bir sözlə, amin turşusu mübadiləsinin əhəmiyyəti budur.

Qaraciyərdə azot mübadiləsi

Qaraciyər toxuma zülallarının sintezi, hemin əmələ gəlməsi, pirimidin və purin sintezi (nukleotid prekursorları), keton cisimləri və karbohidratların əmələ gəlməsi üçün amin turşularından istifadə edən əsas metabolik orqandır. de novo əsas olmayan amin turşularının sintezi və nəhayət, karbamid dövrü vasitəsilə artıq azotun xaric edilməsi. Beləliklə, qaraciyər heyvanlarda azot balansının, onun qəbulu və atılmasının qapıçısıdır. Bədən metabolizmasını tənzimləyən və koordinasiya edən mərkəzi roluna görə, qaraciyərdə protein dövriyyəsi xüsusilə sürətlidir. Bu, qan plazması zülallarının (bütün) etibarlı təchizatını təmin edir və qaraciyərdə yaşayan zülallar bütün digər toxumalara da təsir edən qaraciyər metabolizminə açıq şəkildə təsir göstərir. Nəhayət, bəzi zülallar keton cisimlərinin, karbohidratların, nuklein turşularının və hemin əmələ gəlməsi üçün sabit səviyyədə sərbəst amin turşularını təmin etmək üçün sürətlə parçalana bilər. Hormonal nəzarət (qlükokortikoidlər) aclıqdan əziyyət çəkən orqanizmin əvvəlcə skelet əzələsi kimi vacib olmayan orqanlardan zülalları parçalamasına, qlükoneogenez və sidik cövhəri dövrü üçün qaraciyər fermentlərinin (orqanizmin azotla çirklənməsi) gücləndirilməsinə əmin olur. Qaraciyər kimi fəaliyyət göstərir aminostat. Qan plazmasında, eləcə də plazma zülallarında sərbəst amin turşularının səviyyəsi, qəbulun və toxuma tələbatındakı dalğalanmalara baxmayaraq, sabit səviyyədə saxlanılır.

Qlutamat (C00025) və qlutamin (C00064) ammonyakın sidik cövhəri (C00086) şəklində tullantı kimi atılması əvəzinə bədənimizdə təkrar emal edilməsində iki mühüm amin turşusudur. Qlutamin, amid əmələ gətirən karboksil qrupuna NH3-ün daxil edilməsi yolu ilə qlutamatdan sintez olunur. Bu addım ATP tələb edir və tərəfindən kataliz edilir qlutamin sintetaza (AK 6.3.1.2). Qlutamin sintezinin ATP hidrolizi ilə birləşməsi reaksiyanı geri dönməz hala gətirir. Geri reaksiya - qlutamindən qlutamatın bərpası - tərəfindən kataliz edilir qlutaminaz (EC 3.5.1.2), hidroliz reaksiyası vasitəsilə qlutamini deaminasiya edir. Bu iki fermentin birgə nəzarəti qanda qlutamin hovuzunun saxlanmasından məsuldur. NH3 səviyyələrinə nəzarət nümunəsi əzələ və beyin kimi ixtisaslaşmış orqanlarda gücləndirilmiş qlükoneogenezdir. Karbohidratlar hüceyrə ammonyak səviyyəsini artıran amin turşusu mənbələrindən sintez olunur. Onlar periferik toxumalar tərəfindən qlutamin şəklində ifraz olunur (azotun bədəndən xaric olmasının qarşısını almaq üçün) hepatositlər tərəfindən qəbul edilir, burada NH3 amin turşusu və nukleotidlərin sintezi üçün təkrar istifadə olunur.

Aminotransferazlar alfa-karbonlardan amin qruplarını birləşdirmək və çıxarmaqdan məsul olan fermentlər sinfidir. amin turşularıketo turşuları. Aminotransferazlar (və ya transaminazlar) amin turşularının mübadiləsini digər yollarla, ən əsası limon turşusu dövrü ilə əlaqələndirirlər. Reaksiya alfa amin turşusundan alfa keto turşusuna keçidi katalizləşdirir. Alfa-ketoglutarat və alfa-qlutamatdan müvafiq olaraq qəbuledici və donor qrup kimi istifadə edən transferaza amin turşusu metabolizması və limon turşusu dövrü arasında əlaqədə mərkəzi rol oynayır. Bu reaksiya fermentlə birləşir glutamat dehidrogenaz alfa-ketoglutarat və glutamat arasında aminləşmə-deaminasiya tarazlığını katalizləyir. Beləliklə, iki fermentin qarşılıqlı təsiri glutamat transaminaza (EC 2.6.1.1 transferaz) və glutamat dehidrogenaz (EC 1.4.1.2) orqanizmdə azot balansına nəzarət etmək üçün vacibdir.

Aminotransferaza reaksiyaları sərbəst enerjinin az dəyişməsini əhatə edir (onlar reaksiyanı kimyəvi tarazlıqda kataliz edirlər) və katalizin istiqaməti əsasən reaktivlərin konsentrasiya səviyyələri ilə idarə olunur. Dehidrogenazın fəaliyyəti hüceyrənin NADH şəklində redoks potensialı ilə idarə olunur. Aminləşmə (NH3) reaksiyası qlutamat, NAD+ və su hasil edərkən NADH/H+ (oksidləşmiş) və alfa-ketoqlutarat (azaldılmış) istifadə edərək reduksiya mərhələsi ilə birləşdirilir.

Aminotransferaza reaksiyaları B6 vitaminindən, yəni onun törəməsi olan piridoksal-fosfatdan (C00018) asılıdır, bu reaksiyada koenzim rolunu oynayır və köçürülmüş amin qrupunu müvəqqəti bağlayır. Piridoksal fosfat qrupu kataliz zamanı piridoksamin fosfata çevrilir. Bununla belə, piridoksal fosfat köçürülmüş reaktivi müvəqqəti olaraq qəbul edərək aşağıdakı reaksiyaları kataliz edən fermentlərdə istifadə edilən olduqca çox yönlü koenzimdir (işarə: piridoksal fosfat üçün yuxarıdakı linki vurun və bu funksional qrupdan istifadə edən fermentlərin uzun siyahısını (117) araşdırın. ):

piruvat + NH3 + NADH + H+ Û alanin + NAD+

iki mərhələdə kataliz edilir. İlk olaraq glutamat dehidrogenaz:

alfa-ketoglutarat + NH3 + NADH + H+ Û glutamat + NAD+

izlədi alanin-qlutamat aminotransferaza:

piruvat + glutamat & Ucirc alanin + alfa-ketoqlutarat

Bütün addımlar geri çevrilir. Dehidrogenaz reaksiyası birbaşa NAD+ və alfa-ketoglutarat ilə qarşılıqlı əlaqədə olduğu mitoxondrial matrisdə baş verir. Dehidrogenaz hüceyrənin enerji yükünün allosterik nəzarəti altındadır. Yüksək ATP və GTP səviyyələri fermenti təsirsiz hala gətirir, yüksək ADP və ÜDM isə onu aktivləşdirir.

Tirozin və sistein istisna olmaqla, bütün vacib olmayan amin turşuları əmələ gəlir və qlutamatdan transaminasiyadan asılıdır. Prolin, ornitin, arginin karbon vahidlərini və amin azotunu glutamatdan alırlar. Alanin, serin, qlisin C3 karbon vahidlərini qlikolitik ara məhsullardan və amin azotunu glutamatdan əldə edirlər (Qeyd: qlisin serindən dekarboksilləşmə yolu ilə əldə edilən C2 amin turşusudur, bir karbon mübadiləsinə baxın). Aspartat karbon onurğasını oksaloasetatdan (C4) və amin azotunu glutamatdan alır. Əslində, glutamat-dehidrogenaz hər hansı bir aminotransferaza ilə birlikdə lazımi alfa-keto turşusunun və ammonyak mənbəyinin meydana gəlməsini nəzərə alaraq, hər hansı bir vacib olmayan amin turşusu meydana gətirməyə qadirdir. Bu proses adlanır reduktiv aminasiya (yuxarıda piruvatdan alaninin əmələ gəlməsinə baxın). Reduktiv aminləşdirmənin əsas məqsədi NH3-ü karbamid şəklində ifraz etmək əvəzinə təkrar emal etmək və amin qruplarının donoru kimi xidmət edə biləcək digər amin turşularını qorumaqdır.

Reduktiv aminləşmə, ammonyak daxil edilməsi üçün qaraciyərdə üç prosesdən birincisidir. İkinci mühüm proses, bütün orqanlar üçün ammonyak üçün rezervuar rolunu oynayan və qaraciyər hüceyrələri tərəfindən qanda qlutamin səviyyəsi kimi saxlanılan qlutaminin əmələ gəlməsidir. Qlutamin orqanlar arasında NH3 daşıma mexanizmi kimi xidmət edir. Üçüncüsü, qaraciyər, nukleotidlərin pirimidin əsaslarının əmələ gəlməsi və sidik cövhəri istehsalı üçün zəruri olan karbamoil-fosfat əmələ gətirə bilər. karbamid dövrü.

Karbamid dövrü, bədəndən xaric edilmək üçün ammonyak şəklində azotun çıxarılması üçün qaraciyərdə yaşayan bir prosesdir. Dövr zülal sintezi üçün istifadə olunmayan iki amin turşusunu əhatə edir. Bunlar ornitinsitrulin. Ornitin limon turşusu dövrəsində oksaloasetatın roluna bənzər bir rola malikdir. O, karbon onurğasını təmin edir və bir rol oynayır katalitik daşıyıcı, lakin tsiklik reaksiyada özü istifadə olunmur.

Ornitin, CO-dən əmələ gələn kiçik bir molekul olan karbamoil fosfat (C00169) üçün qarmaq və ya tutacaq kimi xidmət edən terminal amin qrupuna malikdir.2 və fosfat donoru kimi NH3 və ATP. Karbamoil-fosfat kataliz edir karbamoil-fosfat sintetaza (EC 6.3.4.16 karbamoilfosfat əmələ gətirən) mitoxondrial matrisdə və 2 ATP molekulunun hidrolizini tələb edir. Karbamoil, fosfat ester bağının hidrolizi ilə idarə olunan ornitin amin qrupuna köçürülür. Sitrulin (C00327) bu reaksiyanın məhsuludur və aspartatla birlikdə mitoxondriyadan və sitoplazmaya daşınacaq. Orada aspartat və sitrulin enerji mənbəyi kimi bir ATP molekulundan istifadə edərək metastabil aralıq argininosuksinik turşuya (C03406) birləşdirilir. Argininosuksinat arginin və fumarata parçalanır. Sonuncu, limon turşusu dövrü tərəfindən istifadə edilmək üçün yenidən mitoxondriyaya qaytarılır, arginin isə çox hissəsi tərəfindən çevrilir. arginaza (EC 3.5.3.1) sidik cövhəri (C00086) və ornitinə qədər dövriyyəni tamamlayır. Ornitin-karbamoil transferaz kimi, arginaza da qaraciyərə xas bir fermentdir (sitoplazmada) və yalnız azot tullantılarını karbamidə çevirən heyvanlarda (məməlilərdə). Nəzərə alın ki, əzələlərdə sintez edilən ən çox arginin əvəzinə protein sintezi və kreatinin (C00300) əmələ gəlməsi üçün istifadə olunur. Fosforlanmış kreatin-P skelet əzələsində anaerob şəraitdə aralıq enerji saxlama cihazı kimi istifadə olunur.

Fumarat, karbamid əmələ gəlməsi ilə istifadə olunan aspartatı bərpa etmək üçün istifadə olunur. Bu, fumaratın yenidən limon turşusu dövrünə keçirilməsi və amin transferaz reaksiyası ilə katalizləşən aspartat (alfa amin turşusu) ilə tarazlaşa bilən oksaloasetat (alfa keto turşusu) şəklində çıxarılması ilə həyata keçirilir. Beləliklə, həm Krebs, həm də sidik cövhəri dövrü birincisi ilə ciddi şəkildə qarşılıqlı əlaqədə olur, əsas ara məhsullar üstəgəl karbon dioksidi və ATP şəklində enerji (oksidləşdirici fosforlaşmadan, ciddi şəkildə).

Karbamid dövrü iki hüceyrə bölməsinin, sitrulin və aspartatın prekursorlarının biosintetik hissəsini yerinə yetirən mitoxondrial matrisin və arginino-süksinatın əmələ gəlməsindən sonra bu ara məhsulu üç müxtəlif məhsula ayıran sitoplazmanın bir hissəsidir, bunlardan biri şəbəkədir. məhsul (karbamid), digər ikisi (ornitin və fumarat) karbamid əmələ gəlməsinin yeni dövrəsinə başlamaq üçün matris bölməsinə və onların müvafiq dövrünə təkrar emal edilir.

Azot ammonium şəklində də xaric edilə bilər. Bu proses böyrəklər tərəfindən idarə olunur və qan plazmasının pH səviyyəsini idarə etmək üçün istifadə olunur. Bununla belə, qan plazmasının pH-ı üzvi turşular (amin turşuları) və karbon turşusu (CO) kimi digər amillərlə də müəyyən edilir.2 səviyyələri). Böyrəklərdə ammonium mübadiləsi sidikdə H+ ifraz etmək funksiyasını yerinə yetirir. Birinci reaksiyada böyrək fermentləri qlutamini iki addımda aketoglutarata qədər deaminasiya edir. Birinci yan zəncirin deaminasiyası sadə hidroliz kimi katalizlənir və olur geri dönməz.

Bu proses qeyri-üzvi fosfat tərəfindən stimullaşdırılır. Sərbəst ammonyak protonlarla ammoniuma tarazlaşır:

və böyrək hüceyrələrinin içərisində yüklü formada tutulur. Qeyri-elektrolitik ammonyak hüceyrə membranları arasında sərbəst yayılır. Qlutamin NH3-ün toksik olmayan formasıdır və onu qan plazmasında qaraciyər və böyrək arasında aparır. Böyrək H+ sink kimi fəaliyyət göstərir və protonlar NH şəklində atılır4 + fosfat və ya asetoasetatdan istifadə edərək yük homeostazını qoruyarkən.


İstinadlar

Chubukov, V., Mukhopadhyay, A., Petzold, C. J., Keasling, J. D. & Martín, H. G. Əmtəə kimyəvi maddələrin mikrob istehsalı üçün sintetik və sistem biologiyası. NPJ Sistemi. Biol. Appl. 2, 16009 (2016).

Nielsen, J. & Keasling, J. D. Mühəndislik hüceyrə metabolizması. Hüceyrə 164, 1185–1197 (2016).

Feist, A. M. və başqaları. Böyümə ilə əlaqəli məhsulların istehsal potensialının model əsasında qiymətləndirilməsi Escherichia coli. Metab. Müh. 12, 173–186 (2010).

Tepper, N. & amp Shlomi, T. Kimyəvi istehsal üçün metabolik mühəndislik nokaut strategiyalarının proqnozlaşdırılması: rəqabət yollarının uçotu. Bioinformatika 26, 536–543 (2010).

Jantama, K. və başqaları. Metabolik mühəndisliyi və metabolik təkamülü birləşdirərək rekombinant olmayan suşların inkişafı Escherichia coli C suksinat və malat istehsal edən. Biotexnol. Bioeng. 99, 1140–1153 (2008).

Machado, H. B., Dekishima, Y., Luo, H., Lan, E. I. & amp Liao, J. C. Xətti yüksək spirtlər istehsal etmək üçün CoA-dan asılı yoldan istifadə edərək karbon zəncirinin uzanması üçün seçim platforması. Metab. Müh. 14, 504–511 (2012).

Morita, T., Fukuoka, T., Imura, T. & Kitamoto, D. İki ustilaginomycetous maya tərəfindən azot məhdudlaşdıran şəraitdə sellobioz lipidlərin yığılması, Pseudozyma aphidsPseudozyma hubeiensis. FEMS Maya Res. 13, 44–49 (2013).

Youngquist, J. T., Rose, J. P. & Pfleger, B. F. Sərbəst yağ turşusu istehsalı Escherichia coli fosfatla məhdud şəraitdə. Appl. Mikrobiol. Biotexnol. 97, 5149–5159 (2013).

Willrodt, C., Hoschek, A., Bühler, B., Schmid, A. & Julsing, M. K. Maqnezium sulfat məhdudiyyəti ilə artımdan istehsalın ayrılması de novo limonen istehsalı: böyümədən limonen fermentasiyasını ayırmaq. Biotexnol. Bioeng. 113, 1305–1314 (2015).

Izard J. et al. RNT polimerazanın idarə olunan ifadəsinə əsaslanan sintetik böyümə açarı. Mol. Sist. Biol. 11, 840 (2015).

Chubukov, V. & Sauer, U. Stasionar fazalı maddələr mübadiləsinin ətraf mühitdən asılılığı. Bacillus subtilisEscherichia coli. Appl. Ətraf. Mikrobiol. 80, 2901–2909 (2014).

Bren, A. et al. Qlükoza ən pis karbon mənbələrindən birinə çevrilir E.coli cAMP-nin suboptimal səviyyələrinə görə zəif azot mənbələrində. Sci. Rep. 6, 24834 (2016).

Chubukov, V., Gerosa, L., Kochanowski, K. & Sauer, U. Mikrob maddələr mübadiləsinin koordinasiyası. Nat. Rev. Mikro. 12, 327–340 (2014).

Huergo, L. F. & amp Dixon, R. 2-oksoqlutaratın əsas tənzimləyici metabolit kimi ortaya çıxması. Mikrobiol. Mol. Biol. Rev. 79, 419–435 (2015).

Ninfa, A. J. & amp Jiang, P. PII siqnal ötürülməsi zülalları: azot mübadiləsini tənzimləyən α-ketoglutaratın sensorları. Curr. Rəy. Mikrobiol. 8, 168–173 (2005).

Doucette, C. D., Schwab, D. J., Wingreen, N. S. & Rabinowitz, J. D. α-ketoglutarat, ferment I inhibəsi vasitəsilə karbon və azotun istifadəsini əlaqələndirir. Nat. Kimya Biol. 7, 894–901 (2011).

Venditti, V., Ghirlando, R. & amp Clore, G. M. α-ketoglutarat tərəfindən ferment I inhibəsinin struktur əsasları. ACS Kimya Biol. 8, 1232–1240 (2013).

Venditti, V., Tugarinov, V., Schwieters, C. D., Grishaev, A. & Clore, G. M. Bakterial ferment I-də mikro-millisaniyə dinamikasının boğulması nəticəsində yaranan böyük domenlərarası yenidən təşkili. Nat. Kommun. 6, 5960 (2015).

Reaves, M. L. və Rabinowitz, J. D. ilə əlaqəli xarakterik fenotiplər ptsN- İçəridə boş mutantlar Escherichia coli K-12 funksional ilvG olan ştammlarda yoxdur. J. Bakteriol. 193, 4576–4581 (2011).

Rabus, R., Reizer, J., Paulsen, I. & amp Saier, M. H. Enzim I(Ntr) Escherichia coli. Fosfoenolpiruvatdan asılı fosfotransferaza sisteminin yeni bir fermenti, onun fosforil qəbuledicisi NPr üçün ciddi spesifiklik nümayiş etdirir. J. Biol. Kimya 274, 26185–26191 (1999).

Hernández-Montalvo, V. et al. İfadəsi galPglk bir Escherichia coli PTS mutant qlükoza nəqlini bərpa edir və fermentasiya məhsullarına qlikolitik axını artırır. Biotexnol. Bioeng. 83, 687–694 (2003).

Wilkinson, J. F. Bakteriyalarda karbon və enerji anbarı. J. Gen. Microbiol. 32, 171–176 (1963).

Kochanowski, K. et al. Metabolik axın sensorunun işləməsi Escherichia coli. PNAS 110, 1130–1135 (2013).

Berg, J. M., Tymoczko, J. L. və Stryer, L. Biokimya. 6-cı nəşr, 428 (W.H. Freeman and Co., New York, NY, USA, 2006).

Mukhopadhyay, A. Qabaqcıl bioyanacaq və kimyəvi maddələrin istehsalı üçün bakteriyalarda tolerantlıq mühəndisliyi. Trendlər Microbiol. 23, 498–508 (2015).

Wagner, S. et al. Membran zülalının həddindən artıq ekspressiyasının nəticələri Escherichia coli. Mol. Hüceyrə Proteomikası 6, 1527–1550 (2007).

Haushalter, R. W. et al. Ortoqonal yağ turşularının biosintezi sisteminin inkişafı E. coli oleokimyəvi istehsal üçün. Metab. Müh. 30, 1–6 (2015).

Rowe, D. C. D. və Summers, D. K. Zülal sintezi üçün sakit hüceyrə ifadə sistemi Escherichia coli. Appl. Ətraf. Mikrobiol. 65, 2710–2715 (1999).

Bokinsky, G. et al. HipA-dan qaynaqlanan böyümənin dayandırılması və β-laktam tolerantlığı Escherichia coli RelA-dan asılı ppGpp sintezi ilə vasitəçilik edilir. J. Bakteriol. 195, 3173–3182 (2013).

Williams, T. C., Peng, B., Vickers, C. E. & Nielsen, L. K. The Saccharomyces cerevisiae feromon reaksiyası bio-istehsal üçün metabolik aktiv stasionar fazadır. Metab. Müh. Kommun. 3, 142–152 (2016).

Sonderegger, M., Schümperli, M. & Sauer, U. Sakitliyin seçimi Escherichia coli yüksək metabolik aktivliklə. Metab. Müh. 7, 4–9 (2005).

Bennett, B. D. et al. Mütləq metabolit konsentrasiyaları və nəzərdə tutulan ferment aktiv sahəsinin tutulması Escherichia coli. Nat. Kimya Biol. 5, 593–599 (2009).

Gosset, G. Təkmilləşdirilməsi Escherichia coli fosfoenolpiruvat:şəkər fosfotransferaza sisteminin modifikasiyası ilə istehsal ştammları. Mikrob. Hüceyrə faktı. 4, 14 (2005).

Baba, T. və b. Tikintisi Escherichia coli K-12 çərçivəli, tək genli nokaut mutantları: Keio kolleksiyası. Mol. Sist. Biol. 2, 2006.0008 (2006).

Li, T. S. və başqaları. BglBrick vektorları və məlumat cədvəlləri: gen ifadəsi üçün sintetik biologiya platforması. J. Biol. Müh. 5, 12 (2011).

Hillson, N. J., Rosengarten, R. D. və Keasling, J. D. j5 DNT Assambleyasının Dizayn Avtomatlaşdırma Proqramı. ACS Synth. Biol. 1, 14–21 (2012).

Gibson, D. G. et al. Bir neçə yüz kilobaza qədər DNT molekullarının enzimatik yığılması. Nat. Met. 6, 343–345 (2009).

Ham, T. S. və başqaları. JBEI-ICE-nin dizaynı, tətbiqi və təcrübəsi: açıq mənbəli bioloji hissənin qeydiyyat platforması və alətləri. Nuklein turşuları Res. 40, e141 (2012).

Steen, E. J. et al. Bitki biokütləsindən yağ turşusu mənşəli yanacaqların və kimyəvi maddələrin mikrob istehsalı. Təbiət 463, 559–562 (2010).

Batth, T. S., Keasling, J. D., Petzold, C. J. in Mantarların ikincili metabolizması (eds Keller, N. P. & Turner, G.) 237-249 (Humana Press, 2012).

González Fernández-Niño, S. M. et al. Bioenerji tədqiqatlarında ov tüfəngi proteomikası üçün standart axın maye xromatoqrafiyası. Ön. Bioeng. Biotexnol. 3, 44 (2015).


Streptomyces-də Antibiotik Biosintezində Usta Azot Metabolizmi Tənzimləyicisi GlnR-nin birbaşa iştirakı

OmpR kimi yetim ikikomponentli sistemin cavab tənzimləyicisi olan GlnR Streptomyces cinsində azot mübadiləsinin əsas tənzimləyicisidir Bu işdə GlnR-nin antibiotik biosintezinin tənzimlənməsində də bilavasitə iştirak etdiyinə dair sübutlar verilmişdir. Streptomyces coelicolor M145 model ştamında glnR-nin çərçivədaxili silinməsi aktinorhodin (ACT) istehsalının nəzərəçarpacaq dərəcədə artması ilə nəticələndi, lakin R2YE mədəniyyət mühitinə məruz qaldıqda undesilprodigiozin (RED) biosintezinin azalması ilə nəticələndi. Transkripsiya analizi və DNT-ni bağlayan tədqiqatlar göstərdi ki, GlnR ACT-ni repressiya edir, lakin RED istehsalını müvafiq olaraq müvafiq olaraq, yola xüsusi aktivator genləri actII-ORF4 və redZ vasitəsilə aktivləşdirir. Bu iki hədəf genin yuxarı hissəsindəki dəqiq GlnR bağlayıcı yerləri müəyyən edilmişdir. Bundan əlavə, GlnR-nin antibiotiklərin biosintezində birbaşa iştirakı, mühüm antihelmintik agent avermektin istehsal edən Streptomyces avermitilisdə daha da müəyyən edilmişdir. Biz aşkar etdik ki, S. avermitilis GlnR (GlnRsav) avermektini stimullaşdıra bilər, lakin oliqomisin istehsalını birbaşa müvafiq yola xüsusi aktivator genləri, aveR və olmRI/RII vasitəsilə repressiya edir. Streptomyces-də birbaşa yola xüsusi tənzimləyicilər vasitəsilə antibiotik biosintezi Nəticələrimiz göstərir ki, antibiotik biosintezinin GlnR vasitəçiliyi ilə tənzimlənməsi streptomisetlərdə universal ola bilər. Bu tapıntılar həmçinin göstərir ki, GlnR təkcə əsas azot tənzimləyicisi deyil, həm də streptomisetlərdə azot mübadiləsini və antibiotik biosintezini tarazlaşdırmağa kömək edə bilən ikincil metabolizmin mühüm nəzarətçisidir.

Açar sözlər: aktinobakteriyaların gen tənzimlənməsi azot mübadiləsi ikincil maddələr mübadiləsi transkripsiya tənzimlənməsi.

© 2016 Amerika Biokimya və Molekulyar Biologiya Cəmiyyəti, Inc.


Prokaryotlar və azot dövrü

Nitrogen is a very important element for life because it is part of proteins and nucleic acids. It is a macronutrient, and in nature, it is recycled from organic compounds to ammonia, ammonium ions, nitrate, nitrite, and nitrogen gas by myriad processes, many of which are carried out only by prokaryotes. As illustrated in [link], prokaryotes are key to the nitrogen cycle. The largest pool of nitrogen available in the terrestrial ecosystem is gaseous nitrogen from the air, but this nitrogen is not usable by plants, which are primary producers. Gaseous nitrogen is transformed, or “fixed” into more readily available forms such as ammonia through the process of nitrogen fixation . Ammonia can be used by plants or converted to other forms.

Another source of ammonia is ammonification , the process by which ammonia is released during the decomposition of nitrogen-containing organic compounds. Ammonia released to the atmosphere, however, represents only 15 percent of the total nitrogen released the rest is as N2 və N2O. Ammonia is catabolized anaerobically by some prokaryotes, yielding N2 as the final product. Nitrification is the conversion of ammonium to nitrite and nitrate. Nitrification in soils is carried out by bacteria belonging to the genera Nitrosomas, Nitrobakter, və Nitrospira. The bacteria performs the reverse process, the reduction of nitrate from the soils to gaseous compounds such as N2O, NO, and N2, a process called denitrification .


Which of the following statements about the nitrogen cycle is false?

  1. Nitrogen fixing bacteria exist on the root nodules of legumes and in the soil.
  2. Denitrifying bacteria convert nitrates (NO3 – ) into nitrogen gas (N2).
  3. Ammonification is the process by which ammonium ion (NH4 + ) is released from decomposing organic compounds.
  4. Nitrification is the process by which nitrites (NO2 – ) are converted to ammonium ion (NH4 + ).

22.3 Prokaryotic Metabolism

Prokaryotes are metabolically diverse organisms. Yer üzündə müxtəlif enerji və karbon mənbələri və dəyişkən şərtləri olan bir çox fərqli mühit var. Prokaryotlar, mövcud olan enerji və karbon mənbələrindən istifadə edərək hər mühitdə yaşaya bilmişlər. Prokaryotes fill many niches on Earth, including being involved in nutrient cycles such as nitrogen and carbon cycles, decomposing dead organisms, and thriving inside living organisms, including humans. The very broad range of environments that prokaryotes occupy is possible because they have diverse metabolic processes.

Needs of Prokaryotes

The diverse environments and ecosystems on Earth have a wide range of conditions in terms of temperature, available nutrients, acidity, salinity, and energy sources. Prokaryotes are very well equipped to make their living out of a vast array of nutrients and conditions. To live, prokaryotes need a source of energy, a source of carbon, and some additional nutrients.

Macronutrients

Cells are essentially a well-organized assemblage of macromolecules and water. Recall that macromolecules are produced by the polymerization of smaller units called monomers. For cells to build all of the molecules required to sustain life, they need certain substances, collectively called nutrients . When prokaryotes grow in nature, they obtain their nutrients from the environment. Nutrients that are required in large amounts are called macronutrients, whereas those required in smaller or trace amounts are called micronutrients. Just a handful of elements are considered macronutrients—carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, phosphorus, and sulfur. (A mnemonic for remembering these elements is the acronym CHONPS.)

Why are these macronutrients needed in large amounts? They are the components of organic compounds in cells, including water. Carbon is the major element in all macromolecules: carbohydrates, proteins, nucleic acids, lipids, and many other compounds. Carbon accounts for about 50 percent of the composition of the cell. Nitrogen represents 12 percent of the total dry weight of a typical cell and is a component of proteins, nucleic acids, and other cell constituents. Most of the nitrogen available in nature is either atmospheric nitrogen (N2) or another inorganic form. Diatomic (N2) nitrogen, however, can be converted into an organic form only by certain organisms, called nitrogen-fixing organisms. Both hydrogen and oxygen are part of many organic compounds and of water. Phosphorus is required by all organisms for the synthesis of nucleotides and phospholipids. Sulfur is part of the structure of some amino acids such as cysteine and methionine, and is also present in several vitamins and coenzymes. Other important macronutrients are potassium (K), magnesium (Mg), calcium (Ca), and sodium (Na). Although these elements are required in smaller amounts, they are very important for the structure and function of the prokaryotic cell.

Micronutrients

In addition to these macronutrients, prokaryotes require various metallic elements in small amounts. These are referred to as micronutrients or trace elements. For example, iron is necessary for the function of the cytochromes involved in electron-transport reactions. Some prokaryotes require other elements—such as boron (B), chromium (Cr), and manganese (Mn)—primarily as enzyme cofactors.

The Ways in Which Prokaryotes Obtain Energy

Prokaryotes can use different sources of energy to assemble macromolecules from smaller molecules. Phototrophs (or phototrophic organisms) obtain their energy from sunlight. Chemotrophs (or chemosynthetic organisms) obtain their energy from chemical compounds. Chemotrophs that can use organic compounds as energy sources are called chemoorganotrophs. Those that can also use inorganic compounds as energy sources are called chemolitotrophs.

The Ways in Which Prokaryotes Obtain Carbon

Prokaryotes not only can use different sources of energy but also different sources of carbon compounds. Recall that organisms that are able to fix inorganic carbon are called autotrophs. Autotrophic prokaryotes synthesize organic molecules from carbon dioxide. In contrast, heterotrophic prokaryotes obtain carbon from organic compounds. To make the picture more complex, the terms that describe how prokaryotes obtain energy and carbon can be combined. Thus, photoautotrophs use energy from sunlight, and carbon from carbon dioxide and water, whereas chemoheterotrophs obtain energy and carbon from an organic chemical source. Chemolitoautotrophs obtain their energy from inorganic compounds, and they build their complex molecules from carbon dioxide. The table below (Table 22.3) summarizes carbon and energy sources in prokaryotes.

Carbon and Energy Sources in Prokaryotes
Energy Sources Carbon Sources
İşıq Kimyəvi maddələr Karbon qazı Üzvi birləşmələr
Fototroflar Kimotroflar Avtotroflar Heterotrophs
Organic chemicals Inorganic chemicals
Chemo-organotrophs Chemolithotrophs

Role of Prokaryotes in Ecosystems

Prokaryotes are ubiquitous: There is no niche or ecosystem in which they are not present. Prokaryotes play many roles in the environments they occupy. The roles they play in the carbon and nitrogen cycles are vital to life on Earth.

Prokaryotes and the Carbon Cycle

Carbon is one of the most important macronutrients, and prokaryotes play an important role in the carbon cycle (Figure 22.18). Carbon is cycled through Earth’s major reservoirs: land, the atmosphere, aquatic environments, sediments and rocks, and biomass. The movement of carbon is via carbon dioxide, which is removed from the atmosphere by land plants and marine prokaryotes, and is returned to the atmosphere via the respiration of chemoorganotrophic organisms, including prokaryotes, fungi, and animals. Although the largest carbon reservoir in terrestrial ecosystems is in rocks and sediments, that carbon is not readily available.

A large amount of available carbon is found in land plants. Plants, which are producers, use carbon dioxide from the air to synthesize carbon compounds. Related to this, one very significant source of carbon compounds is humus, which is a mixture of organic materials from dead plants and prokaryotes that have resisted decomposition. Consumers such as animals use organic compounds generated by producers and release carbon dioxide to the atmosphere. Then, bacteria and fungi, collectively called decomposers , carry out the breakdown (decomposition) of plants and animals and their organic compounds. The most important contributor of carbon dioxide to the atmosphere is microbial decomposition of dead material (dead animals, plants, and humus) that undergo respiration.

In aqueous environments and their anoxic sediments, there is another carbon cycle taking place. In this case, the cycle is based on one-carbon compounds. In anoxic sediments, prokaryotes, mostly archaea, produce methane (CH4). This methane moves into the zone above the sediment, which is richer in oxygen and supports bacteria called methane oxidizers that oxidize methane to carbon dioxide, which then returns to the atmosphere.

Prokaryotes and the Nitrogen Cycle

Nitrogen is a very important element for life because it is part of proteins and nucleic acids. It is a macronutrient, and in nature, it is recycled from organic compounds to ammonia, ammonium ions, nitrate, nitrite, and nitrogen gas by myriad processes, many of which are carried out only by prokaryotes. As illustrated in Figure 22.19, prokaryotes are key to the nitrogen cycle. The largest pool of nitrogen available in the terrestrial ecosystem is gaseous nitrogen from the air, but this nitrogen is not usable by plants, which are primary producers. Gaseous nitrogen is transformed, or “fixed” into more readily available forms such as ammonia through the process of nitrogen fixation . Ammonia can be used by plants or converted to other forms.

Another source of ammonia is ammonification , the process by which ammonia is released during the decomposition of nitrogen-containing organic compounds. Ammonia released to the atmosphere, however, represents only 15 percent of the total nitrogen released the rest is as N2 və N2O. Ammonia is catabolized anaerobically by some prokaryotes, yielding N2 as the final product. Nitrification is the conversion of ammonium to nitrite and nitrate. Nitrification in soils is carried out by bacteria belonging to the genera Nitrosomas, Nitrobakter, və Nitrospira. The bacteria performs the reverse process, the reduction of nitrate from the soils to gaseous compounds such as N2O, NO, and N2, a process called denitrification .


Videoya baxın: Kimya yeni test toplusu 2019 CAVABLAR 1-ci hissə. HD (Sentyabr 2022).


Şərhlər:

  1. Akimuro

    Bunu məmnuniyyətlə qəbul edirəm. Mövzu maraqlıdır, mən müzakirədə iştirak edəcəyəm. Bilirəm ki, birlikdə düzgün cavaba gələ bilərik.

  2. Oegelsby

    Səhvinə icazə verirsiniz. Bunu müzakirə etməyi təklif edirəm. PM-də mənə yazın, danışacağıq.

  3. Symontun

    Düzgün olmadığınızı görürəm. Müzakirə edəcəyik. Baş nazir yaz, danışacağıq.

  4. Vokazahn

    Bu, diqqətəlayiq, çox dəyərli mesajdır

  5. Bern

    Müdaxilə üçün üzr istəyirəm ... oxşar vəziyyətim var. Gəlin müzakirə edək.

  6. Sameh

    Hələ bir qərar bilirəm



Mesaj yazmaq