Mineraalsete toitainete assimilatsioon

Matemaatika-loodusteaduskond

Bioloogia õppetool

MINERAALSETE TOITAINETE ASSIMILATSIOON

Referaat

Koostajad: Merle Oagu

Triin Tamme
Õpperühm: G-31

Tallinn 2006

Sisukord

Sissejuhatus

Kõrgemad taimed on autotroofid, kes sünteesivad ise enda eluks vajalikud orgaanilised ühendid anorgaanilistest toitainetest, mida nad saavad ümbritsevast keskkonnast. Paljud mineraalsed toitained imetakse kõigepealt juurtesse ja seotakse orgaanilistesse ühenditesse ehk toimub toitainete assimilatsioon. Orgaanilised ained on vajalikud taimede kasvuks ja arenguks. Mõnede toitainete - eriti lämmastiku ja väävli – assimileerimiseks on vaja keerukat biokeemiliste reaktsioonide tsüklit. Teiste toitainete assimilatsioon toimub läbi orgaaniliste ühenditega väga püsivate komplekside tekke. Näiteks Mg²⁺ seostub klorofülli pigmentidega, Ca²⁺ pektaatidega rakuseinas ja Mo⁶⁺ erinevate ensüümidega.

1. Lämmastik keskkonnas

Lämmastikust rohkem leidub taimedes ainult hapnikku, süsinikku ja vesinikku. Ta on ehituskiviks nukleosiidides ja aminohapetes, millest omakorda koosnevad nukleiinhapped ja valgud. N on biosfääris palju, kuna moodustab atmosfäärist 78%, kuid see pole taimedele otseselt kättesaadav, sest õhus on N molekulid omavahel seotud eriti püsiva kovalentse kolmiksidemega. Sealt seotakse N nn. fikseerimisreaktsioonidega nii looduslikult kui ka tööstuslikult. Lämmastikväetisi toodetakse aastas 80 x 10¹² g aastas. Looduslike protsessidega seotakse aastas 190 x 10¹² g lämmastikku, kusjuures:

1. 
   Bioloogiline lämmastiku fikseerimine bakterite või sinirohevetikate poolt annab 90% kogu looduslikult seotud N-st.
   
2. 
   Äike seob 8%.
   
3. 
   Fotokeemilised reaktsioonid 2%.
   

2. Nitraadi assimilatsioon

Enamik juurte poolt absorbeeritud nitraatidest seotakse orgaanilistesse ühenditesse. Selle protsessi esimene aste on nitraadi redutseerimine nitritiks, mis toimub tsütosoolis ja mida viib läbi ensüüm nitraadi reduktaas. Nitraatide, valguse ja süsivesikute olemasolu mõjutavad nitraadi reduktaasi transkriptsiooni, translatsiooni ja ensümaatilist aktiivsust positiivses suunas. Pimedus ja Mg²⁺ mõjuvad ensüümile deaktiviseerivalt.

Moodustunud nitritioon on väga reaktiivne ja potentsiaalselt mürgine ning seetõttu transporditakse ta tsütosoolist kohe kloroplastidesse (lehtedes) või plastiididesse (juurtes). Seal redutseerib ensüüm nitriti reduktaas nitriti ammooniumiks otse ilma lämmastiku ühendite akumulatsiooni või vahepealsete redutseerimisastmeteta.

Nitraadi assimileerimine toimub nii võsundites kui juurtes. Väikesed nitraadikogused redutseeritakse juurtes, aga suuremate hulkade korral transporditakse nitraadid võsunditesse ja assimileeritakse seal. Nitraadi metabolismi tasakaal juurte ja võsundite vahel on liigiti erinev, kuid üldine trend on, et parasvöötme liigid assimileerivad nitraate rohkem juurtes kui troopika või subtroopika liigid.

3. Ammooniumi assimilatsioon

Ammooniumi, mis on saadud nitraadi assimilatsioonil või fotorespiratsioonil, toksilise mõju vältimiseks muudavad taimed ta ruttu aminohapeteks. Seda tehakse põhiliselt ühel viisil, mis põhineb glutamiini süntetaasi (GS) ja glutamaadi süntaasi (GOGAT) järjestikustele reaktsioonidele. GS kombineerib ammooniumi glutamaadiga, nii et moodustub glutamiin. GS on kaks erinevat klassi, millest esimene on tsütosoolis ja teine juurete plastiidides või võsundite kloroplastides. Ensüümi plastiidi vormide hulka mõjutavad valgus ja süsivesikute tase, tsütosooli vormidele on viimaste mõju väike. Plastiidse glutamiini kõrge tase mõjutab omakorda glutamaadi süntaasi aktiivsust, mis katalüüsib reaktsiooni, mille käigus tekib 2 molekuli glutamaati. GOGAT-i on 2 tüüpi: ühte tüüpi ensüüm on plastiidides või mittefotosünteesivates kudedes ja teine on kloroplastides, kus ta osaleb fotorespiratoorses lämmastiku metabolismis ning tema hulk ja aktiivsus kasvavad koos valguse hulga suurenemisega.

Ammooniumi assimileerimisel on ka alternatiivne tee, kus ensüüm glutamaadi dehüdrogenaas (GDH) katalüüsib pöörduvat reaktsiooni, mille käigus sünteesitakse või desamiinitakse glutamaati. Kuigi seda ensüümi on palju, ei suuda ta kompenseerida GS-GOGAT teed ja on põhiliselt vajalik glutamaadi desamiinimiseks. Glutamiini või glutamaadi koosseisus olev N seotakse edasi teistesse aminohapetesse näiteks transamiinimise reaktsioonidel. Asparataat osleb malaadi-asparataadi taransporteris, mis viib ühendeid mitokondrist ja kloroplastist tsütosooli ja osaleb süsiniku transpordil C₄ taimedes süsiniku fikseerimiseks.

Asparagiin (Asp) ja glutamiin seovad C ja N metabolismi. Asparagiin on vajalik nii valkude ehituskivina kui ka N transpordiks ja ladustamiseks, kuna tema N ja C suhe on 2:4 (glutamiinil 2:5 ja glutamaadil 1:5). Asparagiini süntetaas katalüseerib reaktsiooni, mille käigus glutamiini ja asparataadi reaktsioonil ATP juuresolekul tekib asparagiin ja glutamaat. See on põhiline Asp moodustumise viis. Seda ensüümi leidub lehtede ja juurte tsütosoolides ja N-siduvates mügarates. Valguse ja süsivesikute suur hulk soosivad N assimilatsiooni glutamiini ja glutamaati, mis on rikkad C-st ja osalevad uute taimekudede sünteesil. Vastupidisel olukorral on eelistatud N assimilatsiooni asparagiini, mis on N-rikas ja piisavalt stabiilne transportimiseks ning kauaseks säilitamiseks.

4. Bioloogiline N sidumine

Enamus bakteritest, kes seovad atmosfäärist N₂ ja muudavad selle ammooniumiks, on vabalt pinnases elavad. Mõned aga elavad sümbioosis kõrgemate taimedega näiteks liblikõielistega, moodustades taime juurtele mügaraid. Nad varustavad taime N-ga ja saavad vastu teisi toitaineid ja süsivesikuid. N-sidumine nõuab anaeroobseid tingimusi, kuna hapnik inaktiveerib pöördumatult nitrogenaasi ensüümid. Seetõttu N-siduvad organismid kas elavadki anaeroobsetes tingimustes või suudavad enda sisemuses luua anaeroobse keskkonna. Näiteks on tsüanobakterites selleks spetsialiseeritud rakud – heterotsüstid, mille paksudel seinadel pole fotosünteesi mehhanismi, mistõttu nad ei tooda hapnikku. Tsüanobakterid saavad N-siduda ka aneroobsetes tingimustes näiteks üleujutatud põldudel. Vabalt elavad bakterid on kas:

1. 
   Aeroobsed, mis omakorda kas säilitavad vähendatud hapniku tingimusi läbi tugeva respiratsiooni või fotosünteesivad päeval ja seovad N öösel.
   
2. 
   Fakultatiivsed organismid, mis kasvavad nii aeroobsetes kui ka anaeroobsetes tingimustes, seovad N tavaliselt ainult anaeroobsetes tingimustes.
   
3. 
   Aneroobsed – nende elukohas puudub hapnik, nad võivad olla nii fotosünteesivad kui ka mitte fotosünteesivad.
   

Liblikõieliste sümbioos risobiontidega¹ pole kohustuslik. Nende seemned arenevad ise ja ka risobiondid saavad ise hakkama. N limiteerituse korral leiavad nad üksteist keeruliste signaalide abil. Nii see, kui ka bakteritega nakatumise protsess ja hilisem mügarate moodustumine on kodeeritud spetsiaalsete geenide poolt. Esimene etapp on bakterite liikumine peremehe juurte poole tänu keemilistele meelitusainetele (nt. isoflavonoidid), mida eritavad juured. Need aktiveerivad risobiontidel nn. mügarageenid, mida on üldisi ja peremeesspetsiifilisi. Enamus aktiveeritud geene toodavad nn. mügarafaktoreid, mis tomivad sümbioosisignaalidena. Risobiontide peremeesspetsiifilised mügarageenid määravad peremeesliikide hulga ja aitavad määrata täpse liigi vajadusi. Mügarafaktorid aktiveerivad taime juurekarvadel oleva retseptori - lektiini, mis juhib risobiondid sobiva peremeheni ja hõlbustab nende kinnitumist juurekarvade rakuseintele.

Üheaegselt toimub 2 protsessi – infektsioon ja mügara organogenees. Infektsiooni protsessis eraldavad juurekarvadele kinnitunud risobiondid mügarafaktoreid, mis põjustavad juurekarva rakkude keerdumist ümber bakterite. Seejärel kaob baktereid ümbritsevast piirkonnast samade faktorite toimel rakusein ning bakterid saavad vahetu kontakti taime plasmamembraaniga. Seejärel moodustub infektsiooni niit ehk sisemine tubulaarne plasmamembraani pikendus, mis tekib Golgi kompleksist pärinevate membraansete vesiikulite seostumisest infektsiooni kohaga. Niit kasvab, kuna selle otsa liituvad uued sekretoorsed vesiikulid. Juure korteksis ksüleemi lähedal rakud dediferentseeruvad ja hakkavad jagunema, moodustades nn. mügara primoodiumi ehk alge. Infektsiooni niit prolifereeruvate risobiontidega kasvab pikeneb ja läbib juure karva ning juurekoore rakkude kihi mügara alge sihis. Olles jõudnud mügararakkudeni, infektsiooni niidi ots ühineb peremeesraku plasmamembraaniga ja bakterirakud vabanevad peremeesrakku, olles pakendatud membraani, mis on pärit peremeesraku plasmamembraanist. Seejärel infektsiooni niit hargneb, võimaldades nakatada paljusid rakke. Alguses jätkavad bakterid jagunemist ja neid ümbritsev membraan paisub vastavalt temaga ühinevate vesiikulite arvelt. Seejärel, veel välja selgitamata signaali peale taimelt, lõpetavad bakterid jagunemise ja hakkavad suurenema ning diferentseeruvad lämmastiku siduvateks sümbiootilisteks organellideks – bakteroidideks. Mügar tervikuna omandab sellised omadused, mis on juhtkimbul ja teda ümbritseb kiht rakke, mis hoiavad mügara sisemuse O₂ vabana. Osades parasvöötme liblikõielistes on mügarad silindrikujulised, kuna seal tekib mügara meristeem. Troopilistel liblikõielistel viimast ei esine.

Bioloogilise lämmastiku sidumise käigus saadakse molekulaarsest lämmastikust ammoniaak (NH₃). Seda reaktsiooni katalüseerib nitrogenaasi ensüümi kompleks, mille O₂ inaktiveerib pöördumatult. Ensümaatiline N₂ redutseerimine on palju energiat nõudev protsess. Liblikõieliste süsivesinike metabolismil põhinevad arvutused näitavad, et taim tarbib 12g orgaanilist C 1 fikseeritud N2 kohta. N sidumine on aeglane protsess, kuna suur osa H redutseerub H₂ gaasiks ja see protsess konkureerib N₂-ga nitrogenaasi elektronide pärast, mida on vaja viimase redutseerimiseks. Risobiontides kaob H₂ eraldumise kaudu 30-60% energiast, mis on määratud nitrogenaasile. Seetõttu sisaldavad osad risobiondid hüdrogenaasi – ensüümi , mis lõhub moodustunud H₂ ja toodab N₂ redutseerimise jaoks elektrone.

Toodetud ammoniaagi peab mürgituse vältimiseks kiiresti orgaanilisteks aineteks muutma. Seda tehakse mügaras enne edasist transporti varde läbi ksüleemi. Liblikõielisi jagatakse amiidide ja uriidide transportijateks ksüleemi mahla koostise alusel. Esimesed on põhiliselt parasvöötmes ja teised troopilistes regioonides.

5. Väävli assimilatsioon

Väävel on oluline, kuna moodustab disulfiidsildu valkudes, millel on nii strukturaalne kui ka regulatoorne roll. Elektroni transport toimub läbi raud-väävel kogumike. Paljude ensüümide ja koensüümide katalüütilised piirkonnad sisaldavad väävlit. Kõrgemate taimede rakkudes olev väävel pärineb sulfaadist (SO₄^+2-), mis imendub sinna H⁺-SO₄^2- sümporteri abil. Väävliühendite assimileerimise esimeseks etapiks on sulfaadi muutmine aminohape tsüsteiiniks. Sulfaat on väga stabiilne ühend ning vajab järgnevate reaktsioonide toimumiseks aktiveerimist. Selleks reageerivad omavahel sulfaat ja ATP ning saaduseks on 5´adenüülsulfaat (APS) ja pürofosfaat (PP_i). Reaktsiooni katalüsaatoriks on ensüüm ATP sulfuraas. Et reaktsioon saaks edasi toimuda tuleb APS ja PP_i kohe teisteks ühenditeks muuta. PP_i hüdrolüüsitakse anorgaaniliseks fosfaadiks ja APS kas redutseeritakse või sulfaaditakse kiiresti, kusjuures redutseerimine on on domineeriv reaktsioon ja toimub ainult plastiidides. Kõigepealt muudetakse ASP sela sulfitiks (SO₃^2-), mis omakorda muudetakse sulfiidiks (S^2-), millest tehakse kas tsüsteiin või atsetaat. ASP sulfaatimine toimub tsütosoolis.

Väävli assimilatsioon toimub taimelehtedes palju aktiivsemalt kui juurtes. Lehtedes assimileerunud väävel muudetakse glutaatiooniks ning viiakse läbi floeemi kaudu valgusünteesi piirkondadesse. Glutaatiooni kogus taimes reguleerib sulfaatide imendumist juurtes ning assimilatsiooni võsundites. Seejärel sünteesitakse plastiidides tsüsteiinist metioniin. Peale tsüsteiini ja metioniini sünteesi on väävlit vaja lisada ka valkude ning mitmete teiste ühendite koostisesse. Ta on oluline komponent etüleeni sünteesis ning ka metüülgruppide ülekandereaktsioonides.

6. Fosfaadi assimilatsioon

Fosfaadid (HPO₄^2-) mullas on taimejuurtele koheselt omastavad läbi H⁺-HPO₄^2- sümporteri, mille järel nad lisatakse mitmete orgaaniliste ainete koostisesse, sh fosfolipiidid ja nukleotiidid. Fosfaadi peamine sisenemisviis assimilatsiooni teele tekib ATP formeerumise käigus. Selle reaktsiooni käigus lisatakse anorgaaniline fosfaat teisele fosfaadi grupile adenosiin difosfaadis. Mitokondris saadakse energia ATP sünteesiks NADH oksüdeerimisest. ATP sünteesi viib läbi ka kloroplastides olev valgustundlik fotofosforülaas. Lisaks võib fosfaadi assimilatsiooniprotsess toimuda ka tsütosoolis.

7. Katioonide assimilatsioon

Taimed suudavad omastada nii makro- (kaalium, magneesium, kaltsium) kui ka mikrokatioone (vask, raud, mangaan, koobalt, tsink, naatrium), mis moodustavad komplekse orgaaniliste ühenditega. Süsinikuühenditega moodustavad katioonid mittekovalentseid sidemeid, mida on kahte tüüpi:

1. 
   Koordineerimissidemed, mis tekivad polüvalentsete katioonide ja süsiniku molekulide vahel. Moodustamiseks loovutavad süsinikuühendi hapniku või lämmastiku aatomid mittejagatud elektrone katioonile, et luua side, millega neutraliseeritakse ka katiooni positiivne laeng.
   
2. 
   Elektrostaatilised sidemed tekivad positiivselt laetud katioonide ning negatiivse laenguga ühendite (nt –COO^-) liitumisel. Katioon säilitab oma laengu.
   

• 
  Mulla happesuse suurendamine, mis suurendab rauaioonide lahustumist.
  
• 
  Fe³⁺ redutseerimine paremini lahustuvaks Fe²⁺-ks, mida viib läbi ensüüm rauda kelaativ reduktaas
  
• 
  Mulda eraldatakse ühendeid, mis tekitavad stabiilseid, lahustuvaid rauaühendeid nt ketalaadid. Rauapuudus stimuleerib nende ühendite eraldamist.
  

8. Hapniku assimilatsioon

Respiratsiooni teel saadakse ligikaudu 90% taimerakkude poolt assimileeritud hapnikust. Teine suurem hapniku assimileerimise tee on tema võtmine veest ja väike osa saadakse ka hapniku kohesel sidumisel orgaanilistesse ühenditesse ja seda protsessi nimetatakse hapniku fikseerimiseks. Selle käigus lisatakse molekulaarne hapnik orgaanilistele ühenditele. Reaktsiooni aitab läbi viia ensüüm oksügenaas. Esimene stabiilne ühend, mille hapnik on pärit molekulaarsest hapnikust on 2-fosfoglükolaat. Oksügenaasid jagunevad kahte rühma – mono- ja dioksügenaasid, mille aluseks on süsinikuühenditele ülekantud hapniku aatomite arv. Dioksügenaasi puhul seotakse mõlemad hapniku aatomid 1 või 2 süsinikuühendisse. Monooksügenaasi korral lisatakse süsinikuühendile üks hapniku aatom, teine aatom muudetakse samal ajal veeks. Monooksügenaasi reaktsioon vajab substraadina elektrondoonorit (NADH või NADHP).

9. Toitainete assimilatsiooni energeetika

Toitainete assimilatsioon vajab reeglina suurtes kogustes energiat, et muuta stabiilsed, madala energiasisaldusega anorgaanilised ühendid energiarikasteks orgaanilisteks ühenditeks. Näiteks nitraadi reduktsioon nitritiks ja siis ammooniumiks tarbib ligikaudu 25% taimes kuluvast energiast, kusjuures N enda osakaal taime kuivkaalust on ainult 2%. Enamus selliseid reaktsioone toimub kloroplastide stroomas, kus neil on vaba juurdepääs tugevatele redutseerivatele ühenditele, nt NADPH, ferredoxin, mida toodetakse fotosünteesi elektroni transpordi ajal ja neid kahte protsessi kokku nimetatakse fotoassimilatsiooniks. Kõrge CO₂ määr takistab seda protsessi, seetõttu toimub C₄ taimede fotoassimilatsioon mesofülli rakkudes.

Võrdluseks:

1. 
   Nitraadi (NO₃^-) assimilatsioonil muudetakse ta kõigepealt nitritiks (NO₂^-), siis ammooniumiooniks (NH₄⁺) ja viimaks amiidi lämmastikuks glutamiinis, kusjuures iga järgnev vorm on kõrgema energiatasemega kui eelmine ja seetõttu nõuab see protsess 12 ATP ühe lämmastiku kohta.
   
2. 
   Bioloogiline lämmastiku sidumise protsess koos järgneva NH₃ assimileerimisega aminohappesse nõuab 16 ATP-d ühe N kohta.
   
3. 
   Sulfaadi (SO₄^2-) assimilatsioon tsüsteiini nõuab 14 ATP-d.
   

Kokkuvõte

Toitainete transport on protsess, kus taimedele vajalikud toitained seotakse taime kasvuks ning arenguks vajalikesse süsinikuühenditesse. Assimilatsiooniprotsessid on väga energiamahukad ning sõltuvad otseselt fotosünteesi kaudu tekkinud reduktantidest. Juurte kaudu imendunud nitraadid assimileeritakse nii juurtes kui võsundites, see oleneb nitraadi kättesaadavusest ning taimeliigist. Assimilatsiooni käigus redutseerib tsütosoolis nitraadi reduktaas nitraadi nitritiks (NO₂^-). Seejärel redutseeritakse nitrit juureplastiidides vüi kloroplastides ammooniumiks. Ammoonium muudetakse glutamiiniks ja glutamaadiks. Alles peale neid protsesse saab lämmastikku üle kanda läbi mitmete protsesside teistesse orgaanilistesse ühenditesse. Paljudel taimedel on välja kujunenud sümbioos lämmastikbakteritega (muudavad õhulämmastiku ammooniumiks). Koostöö väljendub spetsiaalsete signaalide äratundmises, õige bakteri äratundmises ning endaga seostumises, mügarate arengus taimedel. Peale mügarbakterite on ka lämmastikku siduvad prokarüoodid, kes rikastavad mulda lämmastikuga.

Sarnaselt nitraatidega tuleb ka sulfaate assimilatsioonil muuta. Reduktsiooni käigus tekib sulfaadi aktiivvorm – 5´adenüülsulfaat (APS). Lõpp-produkt väävel seotakse aminohapete tsüsteiini ja metioniini koostisesse. Fosfaate leidub taimerakkudes, sh lipiidides, nukleiinhapetes ja nukleotiidides. Assimilatsiooni põhiproduktiks on ATP.

Lämmastiku, väävli ja fosfori assimilatsiooniks on vaja tekitada karbonaatsete ühenditega kovalentseid sidemeid, erinevalt paljude makro- ja mikrotoitainete katioonidest, mis moodustavad ühendeid lihtsamalt. Ühendeid hoitakse koos elektrostaatiliste või koordineerivate sidemetega. Raua varumiseks sünteesivad taimerakud fütoferritiini, proteiin, mis talletab endas rauda. Peale hingamise võib molekulaarset hapnikku talletada ka orgaanilistes ühendites. Protsessi nimetatakse hapniku fikseerimiseks. Protsessi katalüsaatoriks on ensüüm oksügenaas, mis jaguneb mono- ja dioksügenaasiks.

Toitainete assimilatsiooniks on vajalik suurtes kogustes energiat, et muuta stabiilsed, madalaenergeetilised anorgaanilised ühendid energiarikasteks orgaanilisteks ühenditeks. Anorgaaniliste ühendite assimilatsiooniks kuluv energia pärineb fotosünteesist ja neid kahte protsessi koos nimetatakse fotoassimilatsiooniks.

Kasutatud kirjandus

Taiz, L., Zeiger, E. 2002. Plant Physiology. Sunderland (Mass.): Sinauer Associates.