Ragnar Österlund
Karolina Vogel
Magnus Fjällström
Växters kvävefixering och
kvävemetabolism
En sammanfattning
Lärare Margareta Ingelmann
Skapad den 2 juni 2004
1
Inledning ............................................................................................................................3
Kvävecykeln ......................................................................................................................3
Fixering..........................................................................................................................4
Nedbrytning och nitrifikation..........................................................................................5
Denitrifikation ................................................................................................................5
Symbiotisk fixering av kväve .............................................................................................6
Fysiologiska skeenden vid bakteriens inträde i växten ....................................................6
Molekylära signaler för bakteriens inträde i växten .........................................................7
Kvävefixeringsprocessen ................................................................................................8
Växters aminosyrasyntes ..................................................................................................10
Bindning av ammoniak till aminosyror .........................................................................10
Transaminationer..........................................................................................................11
Exempel på syntes ........................................................................................................12
Referenser ........................................................................................................................14
2
Inledning
Kvävecykeln utgör en av de viktigaste näringscyklar som existerar i ett biologiskt kretslopp.
Kväve används av levande organismer till att producera ett antal komplexa molekyler såsom
aminosyror, proteiner och nukleinsyror. Den största lagringskällan svarar atmosfären för, där
existerar kväve som gas, huvudsakligen som N2. Det atmosfäriska förrådet är ungefär en
miljon gånger större än det totala kväveinnehållet i levande organismer. Kväve är ett av de
viktigaste grundämnena för växterna. Kvävgasmolekylens trippelbindning är mycket stabil
och kväve deltar därför sällan i reaktioner. Det finns dock processer i naturen och även
industrellt där kvävgas spjälkas. I naturen sker detta med hjälp av enzymer, I laboratoriet sker
det under högt tryck och hög temperatur.
Trots den stora rikedomen av kväve atmosfären (ca 80 % av luften volym) råder
det (i icke manipulerade ekosystem) stor brist på de kväveföreningar som kan upptas av
växterna (Malmer, A. 2002, Raven, P. H. 2003, Stryer, L. 2002). De flesta växter och
mikroorganismer kan endast ta upp kvävet i två föreningar, som ammoniumjon och som
nitrat. De flesta organismer täcker sitt kvävebehov genom att ta upp olika lösta kvävesalter
eller konsumera kvävehaltiga föreningar som t ex proteiner i väldigt små mängder.
Ammoniak upptas av växter men metaboliseras snabbt, då ammoniak i höga koncentrationer
är giftigt. Andra större förråd av kväve är organisk material i jord och oceaner.
Djur upptar kväve till metabolism genom konsumtion av levande och dött
material. Kvävet används av djur till tillväxt och reproduktion, system vilka innehåller
molekyler med kväveföreningar.
Kvävecykeln
Figur 1 - Bilden visar främst de mikrobiella transformationerna.
3
Fyra viktiga processer som deltar i cykeln av kväve genom biosfären är kväve fixering,
nedbrytning, nitrifikation, denitrifikation. I Figur 2 visas en översikt av detta förlopp och
kvävets former samt enzymerna involverade i transformationerna.
Figur 2 – Kvävets olika tillstånd i och utanför växten
Fixering
*Atmosfärisk fixering, utförs av blixtar där energin i blixtarna bryter kvävemolekylerna som i
sin tur reagerar med syre i luften och bildar kväveoxider, vilka löser sig i regn under
bildningen av nitrater som faller ner till marken. Atmosfäriskt kväve fixering svarar för 5-8%
av den totala kväve fixeringen.
*Biologiskt fixering, En del alger samt vissa bakterier har förmågan att fixera kvävgas ur det
förråd som finns löst i luft eller vatten, och för på så vis in kväve i ett biologiskt kretslopp.
Denna egenskap innehas bl a av bakterier som lever symbiotiskt i ärtväxters eller alträds rötter
samt av vissa blågröna alger.
Biologiskt kväve fixering sker under en komplex samverkan mellan enzymer och under stor
konsumtion av ATP.
*Industriell fixering, sker under högt tryck och hög temperatur samt med verkan av katalys.
Kväve och väte kombineras till ammoniak . Ammoniak kan användas direkt som
gödningsmedel, men det mesta görs om till urea och ammonium nitrat (NH4NO3).
I Tabell 1 och Tabell 2 visas antalet ton fixerat kväve via industriell och biologisk väg. Data
från olika källor, utarbetad av DF Bezdicek & AC Kennedy, i Microorganisms in Action (eds.
JM Lynch & JE Hobbie). Blackwell Scientific Publications 1998.
Tabell 1 – icke biologisk fixering
Icke biologisk fixering
N2 fixerad (106 ton)
Industriell
50
Förbränning
20
Blixtar
10
Totalt
80
4
Tabell 2 – biologisk fixering
Biologiskt fixering
N2 fixerad (106 ton)
Jordbruk land
90
Skog och icke-jordbruks land
50
Vatten
35
Totalt
175
Tabell 3 - Exempel av kväve - fixerande bakterier (* betecknar en fotosyntetisk bakterie)
Frilevande
Symbiotisk med växter
Aeroba
Anaeroba
Legumes
Andra växter
Azotobakterier
Beijerinckia
Klebsiella (en del)
Cyanobakterier (en del)*
Clostridium (some)
Desulfovibrio
Purple sulphur bacteria*
Purple non-sulphur
bacteria*
Green sulphur bacteria*
Rhizobium
Frankia
Azospirillum
Nedbrytning och nitrifikation
Nedbrytningen sköts av mikroorganismer som lever på att bryta ner avföring och dött material
från djur och växtmaterial. Molekylerna i avföringen och det döda materialet bryts ner till
ammoniak. Genom mineralisation av ammoniak frigörs ammoniumjoner (NH4+). Det mesta
av denna ammoniak från nedbrytningen av organiskt material i marken görs om till nitrater.
Detta sker i två steg:
*Bakterier av genus Nitrosomonas oxiderar ammoniak (NH3) till nitriter (NO2-).
*Bakerier av genus Nitrobakter oxiderar nitriter till nitrater (NO3-).
Dessa två grupper av autotrofa bakterier kallas för nitrifierande bakterier. Genom deras
aktiviteter (vilka förser dem med den energin de behöver) blir kväve i form av nitrater och
nitriter tillgänglig för växterna att ta upp. Nitrifikationen har en del negativa effekter, bl a är
den försurande och nitratet som bildats är lättrörligt i marken. Det bildade nitratet kan därför
lätt förloras genom kväveläkage med kväveförluster och övergödning av vattendrag som
följd. Om det är ont om syre i marken, tex om marken är blöt så nitrifieras inget eller bara lite
ammonium. Samtidigt avtar nedbrytningshastigheten av det organiska materialet.
Denitrifikation
De tre processerna ovan tar kväve från atmosfären och för in det i ekosystemet.
Denitrifikation innebär istället att nitrat reduceras och avgår i form av kvävgas och lustgas.
Bakterierna som utför denna process lever djupt nere i jorden och i havs sediment där
förhållandena är anaeroba. Dessa bakterier använder nitrater som ett alternativ till syre för den
slutgiltiga elektron acceptorn i deras cell andning. De bildade gaserna lämnar marken och
5
haven, på så sätt blir haven av med sitt kväve överskott. Denitrifikationen utförs bl a av
bakterierna pseudomonas och thiobacillus.
Symbiotisk fixering av kväve
Vissa bakterier, blågröna alger och svampar har förmågan att reducera kvävgas till ammoniak
som därmed blir tillgängligt för överföring till organiska föreningar hos växten. De
kvävefixerande bakterierna kan dels vara frilevande och dels förekomma i symbios med högre
växter. Ett flertal medlemmar ur familjen Fabaceae (ärtväxter) har utbildat symbios med arter
ur de olika kvävefixerande bakteriefamiljerna, som med ett gemensamt namn kallas rhizobia
(Azorhizobium, Bradyrhizobium, Mesorhizobium och Rhizobium,)(Malmer, A. 2002, Raven,
P. H. 2003, Stryer Xavier, P. 2000). Ett fält med Fabaceae kan binda 350 kg kväve per hektar
och år, genom rhizobias verksamhet. Frilevande kvävfixerande såsom Clostridium- och
Azobacterarter endast binder 2-3 kg kväve per hektar och år(Malmer, A. 2002,). De vanligaste
kvävefixerande bakterierna är Rhizobium och Bradyrhizobium, vilka invaderar rötter hos
klöver, alfalfa, ärter sojabönor och bönor. Bakterierna försörjer både sig själva och växten
med kväve. Växten försörjer bakterien med energi, salter och kolinnehållande molekyler för
produktion av kväveföreningar (Malmer, A. 2002, Raven, P. H. 2003, Stryer, L. 2002).
Fysiologiska skeenden vid bakteriens inträde i växten
Rhizobia kan gå in i Fabaceae via ett flertal mekanismer. Den mest kända är via rothår bakom
rotspetsen. Detta sker då växten fortfarande är en fröplanta. Rhizobia fäster till rothår som
utvecklar tätt krullade strukturer, vilka kommer att omge bakterien. Bakteriens invasion av
rothår och underliggande cortexceller sker via infektionstrådar. Dessa utgörs av tubformade
strukturer som bildas genom inväxt av rothårens cellväggar från ytan där penetreringen
skedde. Bakterien framkallar celldelning i begränsade regioner av cortex som den når via
tillväxt och grening av infektionstrådar. Det bildas därmed ett hölje som har sitt ursprung i
värdcellens plasmamembran dit rhizobia går in från infektionstråden. (D´Haeze, W. 2003,
Raven, P. H. 2003) Den intracellulära formen av bakterien benämns bakteroid (Vasse, J.
1990). Förökning genom celldelning hos de membraninneslutna bakteroiderna och
cortexceller hos roten resulterar i formandet av noduler (tumörliknande utväxter). Se Figur 3.
Rotnodulerna hos Fabaceae består av ett smalt cortex som omger en stor central zon
innehållande både bakteroidinfekterade och icke infekterade celler (D´Haeze, W. 2003,
Raven, P. H. 2003)
Figur 3 - Klöver rot noduler vid en högre förstoring, observera de två delvis krossade noduler (pilarna)
med rosa-färgat innehåll. Den här färgen beror på närvaron av ett pigment, leghaemoglobin - en unik
6
metabolit i den här typen av symbios. Leghaemoglobin återfinns endast i nodulerna och produceras
varken av bakterien eller plantan när de växer allena. Leghaemoglobin tar upp syre och transporterar det
bort ifrån nodulerna. Kvävefixering sker i en syrefattigt miljö, eftersom det kvävefixerande enzymet
nitrogenas inte fungerar aerobt.
Nitrogenas reducerar förutom syrgas andra trippelbundna molekyler exv. Koldioxid och
syrgas. Koldioxid fungerar som en kompetitiv inhibitor och syrgas som irreversibel inhibitor
som inaktiverar enzymet. Syrgaskoncentrationen i den bakterieinfekterade cellen måste därför
vara hårt reglerad. Den kvävefixerande processen är dock högst energikrävande (stort ATP
behov) och därmed beroende av aerob respiration. Syre behövs också för andra metaboliska
aktiviteter hos både bakterier och växtceller. Fabaceae har en mycket låg koncentration av fri
syrgas i rotknölarna p.g.a. att molekylerna binds till leghemoglobin. Leghemoglobin
produceras delvis av bakteroiden (hemdelen) och delvis av växten (globindelen). I
cytoplasman hos infekterade celler förekommer leghemoglobin i relativt höga
koncentrationer. Proteinet underlättar flödet av syrgas till rhizobia. Samtidigt hålls
koncentrationen av fri syrgas mycket låg genom den höga hastigheten av respiratorisk
syrgaskonsumption samt flera diffusionsbarriärer som kontrollerar intåg av syrgas till den
centrala infekterade regionen. (Dalton, D. A., Raven, P. H. 2003, Stryer, L. 2002).
Molekylära signaler för bakteriens inträde i växten
Interaktionen mellan de symbiotiska parterna involverar ett komplicerat utbyte av molekylära
signaler som reglerar genuttryck. Bakteriens intåg i växten sker endast då signalerna mellan
växt och bakterie stämmer överens (Perret, X. 2000).
Den initiala mekanismen för bakteriens fästande till rothåren är inte utredd. Troligen rör det
sig om sockerbindande proteiner s. k. lectiner som utsöndras av växtrötterna. Dessa
interagerar med bakteriens cellyta där olika rhizobia familjer skiljer sig åt genom
sammansättningen av sackarider. Lectinet antas underlätta rhizobias bindning till cellväggen
hos rothåren (Hirsch, A. 2001, Raven, P. H. 2003).
Två grupper av bakteriegener är nödvändiga för formandet av kvävefixerande noduler. Nodgengruppen är involverad i värdspecifika responsen och formandet av nodul, medan nifgengruppen är involverad i kvävefixering. (Raven, P. H. 2003).
Växtens perception av nod faktorer sker troligen via receptorkomplex på plasmamembranet
(Perret, X. 2000). För att nodulering skall ske måste rhizobia producera en nod faktorn som
accepteras av Fabaceaevärden. (Hirsch, A. 2001)
Initiering av det symbiotiska förhållandet börjar med att flavonoider utsöndras av Fabaceae.
Mer än fyratusen flavonoider har identifierats i vaskulära växter. Alla flavonoider består av
två benzenringar länkade genom hetrocyklisk pyran eller pyronring. Specifika substitutioner
på ringen ger upphov till bl.a. isoflavonoider som endast uppträder hos Fabaceae och som gör
det möjligt för rhizobia att urskilja sina specifika värdar. Dessa binder till och aktiverar den
bakteriella nodgenen (nodD). Uttryck av dessa gener leder till syntes av nod faktor molekyler
– lipochitooligosackarider. Nod faktorer kan bli kemiskt modifierade med bl.a. acetat, sulfat,
carbamatgrp. eller olika sockrar. Graden av mättnad på acylsvansen kan också variera.
Substitutionerna resulterar i en specifik nod faktor som kan kännas igen av en specifik
Fabaceae. Produkten av denna nodgengruppen inducerar uttrycket av andra bakteriella nod
7
gener vars produkter krävs för processer som: rothårskrullning, cellväggsdegradering och
formandet av infektionstrådar (Hirsch, A. 2001, Raven, P. H. 2003). Dessutom aktiverar andra
bakteriella nodgensprodukter växtens Nod gener. Dessa kodar för växtcellproteiner s.k.
noduliner som är nödvändiga för cortexcelldelning och tillväxt och funktion av nodulen
(Raven, P. H. 2003, Perret, X. 2000)
Kvävefixeringsprocessen
Den biologiska kvävefixeringsprocessen, där kvävgas reduceras till ammoniak utförs av
nitrogenas som är ett komplext enzym med flera redoxcenter. Den principiella reaktionen
beskrivs nedan:
N2 + 6e- +6H+ ¤2NH3
Eftersom den biologiska reaktionen genererar 1 mol H2 för varje mol NH3, går det åt åtta
elektroner istället för sex. Nedan visas den fullständiga reaktionen:
N2 + 8 e- + 8H+ + 16 ATP + 16H2O ¤ 2NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi
Nitrogenas består av två proteinkomponenter: NifKD (dinitrogenas eller MoFe protein) och
NifH (dinitrogenasreduktas, reduktas eller Fe protein). Både reduktas och nitrogenas är järnsvavel proteiner, i vilka järn är bundet till svavelatomer i cysteinkedjor och till oorganiskt
svavel (Stryer, L. 2002).
Figur 4 - Elektroner (generade från fotosyntes eller annan oxidativ process) överförs från pyruvat till
reduktas, där ATP hydrolys sker, och därifrån vidare till centret för reduktion av kvävgas till ammoniak i
dinitrogenaskomponenten.
8
Figur 5 – Strukturbild av nitrogenas från Clostridium Pasteurianum
Reduktas är en a2 dimer av identiska 30 kd subenheter (kodade av nifH). Varje dimer
innehåller en 4Fe-4S förening. Enzymet innehåller två bindningsytor för MgATP, en på varje
subenhet. Strukturen i ATP-bindningsregionen tyder på att reduktas är en medlem i P-loop
NTPase familjen. Reduktas deltar i syntes av FeMo cofaktorn, samt elektronöverföring (en
elektron åt gången) till dinitrogenaskomponenten för reduktion av kvävgas till ammoniak.
Elektronerna generas genom fotosyntes eller annan oxidativ process. Nitrogenas försörjs med
elektroner från associerade protein exempelvis flavodoxinflavodoxin och pyruvat flavodoxin
reduktas. Elektronerna överförs från NAD(P)H eller pyruvat till ferredoxin (ett an FeS
protein) och därifrån till reduktas. Elektronöverföringen från reduktas till dinitrogenas
kopplas med bindning och hydrolys av ATP i reduktaskomponenten. Detta utlöser en
konformationsförändring som flyttar reduktaskomponenten närmare
dinitrogenaskomponenten. Två molekyler ATP hydrolyseras för varje elektron som överförs.
Det innebär att minst 16 molekyler ATP hydrolyseras för varje N2 som reduceras, vilket gör
det till en metaboliskt kostsam process. ATP hydrolys behövs inte för att göra reaktionen
termodynamiskt gynnsam, men däremot för att sänka den höga aktiveringsenergin.
Dinitrogenas är en a2b2 tetramer 240 kd (kodad av nifD och nifK gener). Subenheterna a och
b är homologer och strukturellt lika. Varje tetramer innehåller två kopior av järn-molybden
cofaktorn (FeMo cofaktor) och flera FeS grupper (P-förening). Elektroner går in i P
föreningen som är belägen på gränsen mellan a och b subenheterna. Varje P förening
innehåller åtta järnatmer och sju sulfidjoner. I reducerat tillstånd har varje förening formen av
två 4Fe-3S kuber länkade genom en central sulfidjon. Elektronerna flödar från P-föreningen
till FeMo-cofaktorn. Denna består av två M-3Fe-3S föreningar, i vilka molybden ockuperar
M-ytan i en förening och järn ockuperar den i den andra. De två föreningarna kopplas genom
tre sulfidjoner och är länkad till homocitrat samt proteinets alfaenhet genom en cysteinkedja
och en histidinkedja. FeMo cofaktorn utgör ytan för kvävefixering. De sex centrala
järnatomerna är endast länkade till tre atomer vilket lämnar en bindningsmöjlighet för N2.
Formationen av flera Fe-N interaktioner försvagar bindningen hos N2 och sänker därmed
aktiveringsenergin för reduktion. Sammanfattningsvis sker elektronflödet från ferredoxin till
reduktas (Fe protein) till dinitrogenas (MoFe-protein) för att reducera kväve till ammoniak.
ATP hydrolys inom reduktaskomponenten driver konformationsförändringen, som är
nödvändig för effektiv transport av elektroner (Rangaraj, P. 1997, Raven, P. H. 2003, Stryer,
L. 2002).
9
Växters aminosyrasyntes
Om ammoniak och ammonium båda finns tillgängliga för växten sammtidigt, så tar växten
vanligtvis upp mer ammoniak än nitrat från marken. Det kumulativa upptaget av ammoniak
under mätning i tre veckor är för sojabönor ungefär två gånger större än upptaget av nitrat
under samma period vid lika koncentrationer av båda ämnena. Växten kan dock ta upp mest
kväve i allmänhet om det finns tillgängligt i form av både nitrat och ammonaik (JeanFransois, Morot Gaudry. 2001. kap 4). Eftersom 99% av den ammoniak som finns i marken
vid fysiologiskt pH runt sju befinner sig i protonerat tillstånd som ammoniumjon NH4+, så
antas det att växten tar upp denna form och inte oprotonerad NH3. Upptag av ammoniak kan
surgöra marken där växten växer medans upptag av nitrat- och nitritjoner gör marken mer
basisk. Upptaget av ammoniak från marken försämras ju surare jorden blir. Nitrat och nitrit
kan till viss del transporteras i växten och lagras i vakuoler och andra delar av växtkroppen.
Växter kan inte använda nitrat- och nitritjoner direkt till aminosyrasyntes utan måste först
konvertera dessa till ammoniak med hjälp av enzymer innan det kan användas för
aminosyrasyntes. Eftersom ammoniak är den form av kväve som kan användas direkt av
växten till att bilda aminosyror så måste ammoniak befinna sig fritt i växten en kort tid, men
det kan inte befinna sig i någon större koncentration i saven utan att växten tar skada (JeanFransois, Morot Gaudry. 2001. kap 4). Därför inkorporeras ammoniak snabbt i aminosyror
när det tas upp av växten, eller skapas från nitrit. Ammoniak som bildas av cyanobakterier i
växtens rötter kan användas på samma sätt, precis som ammoniak bildat av växten själv från
nitrit.
Bindning av ammoniak till aminosyror
Man har funnit ett antal enzymer som kan binda ammoniak till _-ketosyror för att bilda
aminosyror. Enzymerna sätter på aminogrupper på kolskelleten som innehåller ett
dubbelbundet syre på andra position i kolkedjan, efter karboxylgruppen. Detta dubbelbundna
syre oxideras till vatten när aminogruppen sätts på dess plats för att bilda en aminosyra.
Kolskeletten inkluderar _-ketoglutarat och oxaloacetat vilka ingår i krebscykeln och hämtas
därifrån för syntes. Vid låga koncentrationer av _-ketosyror fylls reserver på av enzymer som
tillverkar dessa intermediat. Enzymerna som kan aminera _-ketosyror med ammoniak är
listade i Tabell 4.
Tabell 4 – Enzymer som syntetiserar aminosyror från ammoniak
Enzym
Reaktion
Asparginsyntas (AS)
Glutamatdehydrogenas (GDH)
Glutaminsyntas (GS)
Aspartat + NH4+ + ATP ‡ Aspargin + H2O + AMP + PPi
_-ketoglutarat + NH4+ + NAD(P)H ‡ Glutamat + H2O + NAD(P) +
Glutamat + NH4+ + ATP ‡ Glutamin + ADP + Pi
10
Figur 6 – bildning av glutamat via glutamatdehydrogenas
Asparginsyntas kan syntetisera aspargin ifrån ammoniak, men det verkar som att
aminogruppen ofta kommer ifrån en glutaminmolekyl snarare än direkt ifrån ammoniak vid
bildandet av aspargin. Asparginkoncentrationen är hög i nodulerna hos baljväxter.
Asparginkoncentrationen förhöjs också allmänt i de flesta växter efter torka eller annan stress.
Uppskattningsvis assimileras upp till 95% av all ammoniak i växten av dessa enzymer.
Syntes av glutamat och glutamin sker främst i rötterna eftersom växten inte släpper in mycket
ammoniak i saven. Glutamat och glutamin transporteras sedan från rötterna upp i växten och
fungerar som kvävedonatorer vid syntes av andra aminosyror samt puriner och andra
kvävebärande molekyler. Alla andra aminosyror bildas från dessa två aminosyror.
Även om glutamatdehydrogenas kan skapa glutamat direkt ifrån ammoniak och
_-ketoglutarat, så antas att den reaktionsvägen inte är lika vanlig som vägen via
glutaminsyntas och glutamatsyntas. Glutamatsyntas är inte med i tabell 1 för det kan inte
skapa glutamat direkt ifrån ammoniak, utan syntetiserar istället två stycken glutamatmolekyler
från en molekyl glutamin och en molekyl _-ketoglutarat, där glutamin fungerar som
aminogruppsdonator. En av de nyformade molekylerna glutamat vid denna reaktion
återformas därefter till glutamin av enzymet glutaminsyntas, direkt med ammoniak. Cykeln
mellan ammoniak, glutamat och glutamin sker främst på detta sätt och alltså inte till lika stor
del via glutamatdehydrogenas. Förklaringen är bland annat att Km för glutaminsyntas
bindning till ammoniak är mindre än glutamatdehydrogenas Km (Jean-Fransois, Morot
Gaudry. 2001. kap 5). Cykeln, som kallas GS/GOGAT-cykeln visas schematiskt i Figur 7.
Figur 7 – GS/GOGAT-cykeln
Transaminationer
När det har bildats glutamat och glutamin kan dessa aminosyror användas för att syntetisera
andra aminosyror. Transaminasreaktioner kallas de reaktioner varvid en aminosyra ger ifrån
sig en aminogrupp till en _-ketosyra. Många aminosyror syntetiseras med hjälp av
transamineringar. I de flesta fall fungerar alltså glutamat och glutamin som kvävedonatorer i
vid dessa reaktioner, men även aspargin och många andra aminosyror kan ingå i
transamineringar. Vissa enzym, transaminaser, tar som substrat en aminosyra och en _11
ketosyra och flyttar en aminogrupp från aminosyran till _-ketosyran. Detta sker via en
enzymbunden co-faktor, pyridoxalfosfat, som liknar vitamin B6. Pyridoxalfosfatet tar upp
aminogruppen ifrån aminosyran och bildar ett stabilt intermediat. Sedan lämnar
Pyridoxalfosfatet över aminogruppen till _-ketosyran och övergår samtidigt till sitt
ursprungliga tillstånd. (Horton, 2002). Den allmänna transamineringsreaktionen visas i Figur
8.
Figur 8 – Den allmänna transaminationsreaktionen
Exempel på syntes
De flesta andra aminosyror syntetiseras ifrån kväve bundet till glutamat och glutamin. Vissa
av dessa produktionsvägar är enkla med endast en transamination som produktionssteg. Andra
är mer komplicerade som i fallen med de aromatiska aminosyrorna. Några exempel på
aminosyrasyntes följer nedan.
Alanin och Aspartat bildas ifrån pyruvat respektive oxaloacetat, direkt via
transaminationer där glutamat avger sin aminogrupp och bildar a-ketoglutarat. Kvävet från
alanin kan även flyttas direkt till oxaloacetat för att bilda aspartat vise versa. En bild som
beskriver alaninsyntes visas i Figur 9.
Figur 9 – syntes av alanin från pyruvat
Aspargin kan, som tidigare nämnts, syntetiseras direkt ifrån ammoniak men också via en
transamination varvid en glutaminmolekyl avger en aminogrupp och bildar glutamat samtidigt
som det bildas aspargin.
Glycin produceras från glyoxylat genom en transamination. Serin kan syntetiseras
både genom sammanslagning av två glycin molekyler eller genom aminering av 3fosfoglycerat. Den senare vägen är kopplad till glykolysen där 3-fosfoglycerat är ett av
12
intermediaten. Sammanslagningen av två glycinmolekyler sker med hjälp av enzymerna
glycindekarboxylas och serin hydroxymetyltransferas i växtmitokondrier. Glycin och serin är
interkonvertibla, med vilket menas att produktionsreaktionen för dessa är en
jämnviktsreaktion (Jean-Fransois, Morot Gaudry. 2001. kap 13).
Tryptofan som är den mest komplicerade aminosyran tillverkas av chorismat som har
en ringformad struktur. Reaktionsvägen går i flera steg där ringen så småningom sluts för att
bilda en indol vilken sätts på aminosyran serin för att bilda tryptofan. Enzymet som tar hand
om det sista steget, indolbildningen har hos vissa organismer två aktiva ytor. En av dessa
aktiva ytor sköter om indolbildningen, den andra aktiva ytan sätter på indolen på
serinmolekylen. Man tror att enzymet förhindrar att indolen diffunderar iväg genom att
transportera den genom en tunnel i enzymet från det ställe där indolen bildas till det ställe där
den sätts på serinmolekylen (Horton, 2002, kap 17).
Sammanfattning
Kväve ingår till stor del I många biologiska molekyler. Förutom kol, kväve och syre utgör det
en stor del av biologiskt material. Det är en stabil molekyl I gasform och är I nitrat-, nitritoch ammoniumjonsform ett ämne som växter åtrår starkt. Kvävet kan fixeras av speciella
bakterier som kan bilda symbios med växter som försörjer bakterierna med närning, samtidigt
som bakterierna försörjer växterna med överbliven ammoniak. Kvävet används sedan av
växten för syntes av många biomolekyler. Djur som äter växterna tar del av det bunda kvävet
I sin tur. Cykeln sluts med nedbrytning av organsikt material I jorden av bakterier.
13
Referenser
Dalton, D.A. m. fl. Antioxidant Defenses in the Peripheral Cell Layers of Legume Root
Nodules. Plant Physiol. (1998) 116: 37-43
D´Haeze, W. M. fl. 2003. Reactive oxygen species and ethylene play a positive role in lateral
root base nodulation of a semiaquatic legume. pp. National Academy of Sciences of the USA.
11789-11790
Hirsch, A. M. 2001. Plant Physiol. Vol. 127, pp. 1484-1492
Malmer, A. & Magnusson, T. 2002. Markprocessernas betydelse för växtproduktionen.
Institutionen för skogsekologi, SLU Umeå.
Perret, X. M. fl. 2000. Molecular Basis of Symbiotic Promiscuity. American Society for
Microbiology. p. 180-201. Vol 64, No 1.
Rangaraj, P. m. fl. 1997. ApoNifH functions in iron-molybdenum cofactor synthesis and
apodintrogenase maturation. Vol. 94, pp. 11250-11255. Proc. Natl. Acad. Sci. USA
Raven, P. H., Evert, E. R., Eichhorn, S. E. 2003. Biology of Plants. Sixth edition. W. H.
Freeman and Company. New York. sid 26, 738-740.
Stryer, L., Berg, J.M., Tymoczko, J.L. 2002. Biochemistry, fifth edition. NewYork sid.
666-668
Vasse, J. M.fl. 1990. Correlation between Ultrastructural Diffrentiation of Bacteroids and
Nitrogen Fixation in Alfalfa Nodules. Journal of Bacteriology, Aug. 1990. p 4295-4306.
Jean-Fransios, Morot-Gaudry, Nitrogen Assimilation by plants. 2001. Science publishers.
Kap 4-5 och kap 13.
Horton, Moran, m.fl. Principles of biochemistry, Third Edition. 2002. Pearson Education.
Kap 17.
http://www.science.siu.edu/microbiology/micr425/425Notes/12-NitrFix.html
14
