В клетках растений существует ещё один дополнительный механизм обезвреживания избыточной аммонийной формы азота – связывание его в виде мочевины, которая синтезируется в реакциях орнитинового цикла, впервые изученного в 1932 г. в клетках животных Кребсом Н.А. и Хензелайтом К. Много мочевины накапливается в клетках растений, имеющих на корнях микоризу. Высокое содержание мочевины найдено в шампиньонах и дождевиках (до 10-13 % сухой массы).
В опытах было отмечено, что концентрация мочевины в клетках растений увеличивается при диссимиляции азотистых веществ, когда активируются процессы дезаминирования аминокислот и азотистых оснований, а также при выращивании растений на растворах аммонийных солей. Мочевина не токсична для клеток растений, так как является нормальным продуктом обмена веществ, который легко включается в биосинтетические реакции.
Первый этап в синтезе мочевины – образование макроэргического соединения карбамоилфосфата из гидрокарбоната и глутамина, являющегося источником аминной группировки, под действием фермента карбамоилфосфатсинтазы (2.7.2.5). Реакция сопряжена с гидролизом двух молекул АТФ и активируется катионами Mg2+:
|
| O О СООН
// Mg2+ \\ |
HCO3¯ + C–NH2 + 2АТФ ¾¾® С–О~(Р) + 2АДФ + Н3РО4 + CH2
| + Н2О / |
CH2 Н2N CH2
| карбамоил- |
CH2 фосфат CHNH2
| |
CHNH2 COOH
| глутаминовая
СООН глутамин кислота
| |
На следующем этапе с участием фермента орнитин-транскарбамоилазы (2.1.3.3) карбамоилфосфат вступает во взаимодействие с орнитином. Продукты этой реакции – цитруллин и неорганический фосфат:
|
| CH2NH2 О CH2NH
| \\ | \
CH2 С–NH2 CH2 C= O
| + | ¾® | | + H3PO4
CH2 O~(P) CH2 NH2
| карбамоил- |
CHNH2 фосфат CHNH2
| |
COOH COOH
орнитин цитруллин
| |
Таким образом, уреидогруппа цитруллина образуется из карбонильной группы бикарбоната и амидной группы глутамина, которая синтезируется в результате связывания избыточного аммиака.
Далее цитруллин реагирует с аспарагиновой кислотой под действием фермента аргининосукцинатсинтетазы (6.3.4.5). В активировании уреидогруппы цитруллина принимают участие АТФ и катионы Mg2+. В ходе этой реакции синтезируется аргининоянтарная кислота.
|
| CH2NH CH2NH COOH CH2NH COOH
| \ | \ | | \ |
CH2 С=О COOH CH2 C=N–CH CH2 C=NH CH
| | | Mg2+ | | | | | ||
CH2 NH2 + CHNH2 + АТФ ¾® CH2 NH2 CH ¾® CH2 NH2 + CH
| | ↓ | | | | |
CHNH2 CH2 АМФ CHNH2 COOH CHNH2 COOH
| | Н4Р2О7 | | фумаровая
COOH COOH COOH COOH кислота
цитруллин аспарагиновая аргининоянтарная аргинин
кислота кислота
| |
Затем аргининоянтарная кислота с участием фермента аргининосук-цинатлиазы (4.3.2.1) расщепляется на два продукта – аргинин и фумаровую кислоту. Последняя, присоединяя молекулу аммиака под действием аспартатаммиаклиазы, превращается снова в аспарагиновую кислоту, способную взаимодействовать с новой молекулой цитруллина. А аргинин в орнитиновом цикле путём гидролитического расщепления превращается в орнитин и мочевину. Эту реакцию катализирует фермент аргиназа (3.5.3.1):
|
| СН2NH CH2NH2
| \ |
CH2 C+NH CH2 | | + H2O ¾® | + CO(NH2)2
CH2 NH2 CH2 мочевина | |
CHNH2 CHNH2
| |
COOH COOH
аргинин орнитин
| |
Высвобождающийся при гидролизе аргинина орнитин снова включается в первую реакцию орнитинового цикла и синтез мочевины может продолжаться. Схематически связывание аммиака в реакциях орнитинового цикла можно представить в виде следующих превращений:
|
| СH2NH2 CH2NH CH2NH СH2NH2
| | \ | \ | Н2N
CH2 +NH3 + CO2 CH2 C=O +NH3 CH2 C=NH +H2O CH2 \
| ¾¾¾® | | ¾¾® | | ¾¾® | + C=O
CH2 - H2O CH2 NH2 - H2O CH2 NH2 CH2
| | | | Н2N
CHNH2 CHNH2 CHNH2 CHNH2 мочевина
| | | |
COOH COOH СООН COOH
Орнитин цитруллин аргинин орнитин
| |
У некоторых растений связывание избыточного аммиака не доходит до образования мочевины, у них наблюдается накопление промежуточных продуктов орнитинового цикла – цитруллина или аргинина. В прорастающих семенах хвойных растений и клубнях топинамбура содержится много аргинина, а в корневых клубеньках ольхи, пасоке берёзы и орешника – цитруллина. У этих растений аргинин и цитруллин по-видимому являются основными продуктами связывания избыточного аммиака и они играют важную роль в обмене азотистых веществ.