Szimbiotikus nitrogénkötés

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Szimbiotikus nitrogénkötés"

Attila Tamás
8 évvel ezelőtt
Látták:

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

A biológiai nitrogénkötés vizsgálatának módszerei, a kezdet és ma : morfológiai, biokémiai, genetikai, molekuláris biológiai megközelítések, népszerű kísérleti rendszerek. A rhizobium genom.

2 A nitrogén körforgalma DENITRIFIKÁCIÓ dinitrogén N 2 NITROGÉNFIXÁLÁS AMONIFIKÁCIÓ nitrát NO - 3 ammónia NH + 4 aminosavak, fehérjék... NITRIFIKÁCIÓ nitrit NO - 2 ASSZIMILÁCIÓ

5 A nitrogén körforgalma nitrát NO - 3 ammónia NH + 4 aminosavak, fehérjék... nitrit NO - 2 ASSZIMILÁCIÓ

6 Asszimilációs nitrát redukció A nitrát nitrogénjének beépítése a fehérjékbe - két út : GDH és GS-GOGAT GDH: glutamát dehidrogenáz kevés energiaigény (NADH, NADPH) rossz hatásfok: reverzibilis reakció, alacsony affinitás

glutamát dehidrogenáz kevés energiaigény (NADH, NADPH)

7 GS: glutamin szintetáz glutaminsav + NH 3 + ATP glutamin + H 2 O + ADP + Pi hatékony enzim, nagy affinitással az amóniához, de ATP felhasználás GOGAT: glutamin-oxoglutarát aminotranszferáz (glutamát szintáz) glutamin + ketoglutarát + NADH 2 glutarát + NAD +

ATP felhasználás GOGAT: glutamin-oxoglutarát aminotranszferáz

9 A nitrogén körforgalma AMONIFIKÁCIÓ nitrát NO - 3 ammónia NH + 4 aminosavak, fehérjék... NITRIFIKÁCIÓ nitrit NO - 2

10 Ammonifikálás A bomlási folyamatokban az ammónia felszabadul (GDH fordított reakció pl.) aminosavak hidrolízise deaminázok) amidokból deamidázok (ureáz) - istálószag szabad ammónia jelenik meg talajban jól kötődik a növények inkább a nitrátotpreferálják Nitrifikálás kemotróf baktériumok - NH 3 energiaforrás a CO 2 fixáláshoz (fény helyett) Nitrosomonas, ammónia nitrit reakció Nitrobacter nitrit nitrát oxidáció (kevesebb faj) a nitrátot jobban felveszik a növények, de gyorsabban kimosódik a rhizoszférából, műtrágyázás és a nitrátos vizek

növények inkább a nitrátotpreferálják Nitrifikálás kemotróf baktériumok - NH 3 energiaforrás a CO 2 fixáláshoz (fény helyett)

11 A nitrogén körforgalma dinitrogén N 2 nitrát NO - 3 DENITRIFIKÁCIÓ Disszimilációs nitrát redukció -oxidációhoz kötött, NO - 3 oxigénforrás -csökken a Földi kötöt N-tartalom, nitrogénkötés -Pseudomonas, Micrococcus, Thiobacillus

-oxidációhoz kötött, NO - 3 oxigénforrás -csökken a

12 A nitrogén körforgalma dinitrogén N 2 NITROGÉNFIXÁLÁS A dinitrogén A Föld légkörének 78 % nitrogéngáz 20% oxigéngáz ammónia NH + 4 aminosavak, fehérjék... Az élőlények 1,5 x tonna nitrogét tartalmaznak, ebből évente 1 x 10 9 tonna nitrogén vesz részt a körforgásban 2 x 10 8 tonna nitrogént forgalmaz évente nitrogénkötés

.. Az élőlények 1,5 x 10 10 tonna nitrogét tartalmaznak, ebből évente 1 x 10 9

13 A biológiai nitrogénkötés nitrogén fixálás N H + + 8e - + nmgatp 2 NH 4+ + H 2 + nmgadp + npi (n>15) csak egyes prokarióta mikroorganizmusok képesek rá jelentősége: - kötött nitrogén utánpótlása - az ammónia azonnal asszimilálódik mezőgazdaság növényekkel asszociált mikróbák a jelentősek Haber-Bosch eljárás: a dinitrogén redukciója ammóniává : katalitikus, magas hőmérséklet, nyomás, energiaigényes Fizikai hatások: villámlás, UV, motorok - nitrogén oxidok, Kötött nitrogén pótlása: Az arányok a társadalmi fejlettségtől, és a helyi adottságoktól függenek. A két utolsó azonos is lehet, az első nem olyan jelentős (10-20%). szabadonélő mikróbák, szimbiózis (pillangósok) műtrágya

ammóniává : katalitikus, magas hőmérséklet, nyomás, energiaigényes Fizikai hatások: villámlás, UV, motorok - nitrogén oxidok, Kötött nitrogén pótlása: Az arányok a

14 A nitrogenáz enzim sikertelen tisztítási kísérletek 1960 Clostridium pasteurianum, anaerob baktérium, extrakt tisztítás anaerob körülmények között: 15 N 2 15 NH 3 az oxigén azonnal tönreteszi az aktivitást további tisztítás (centrifugálás, elektroforézis, kromatoráfiás oszlopok,... stb) mikroaerob megoldása sokféle forrásból majdnem ugyanaz az enzim, felcsrélhető komponensek Clostridium pasteurianum Klebsiella pneumoniae Azotobacter croococum baci Cp1 Kp1 Ac1 Cp2 Kp2 Ac2 Mw (kdal) Mo atom Fe atom szulfid csoport > féléletidő (min) rövid vsh 0,75 0,5

.. stb) mikroaerob megoldása sokféle forrásból majdnem ugyanaz az enzim, felcsrélhető komponensek Clostridium pasteurianum Klebsiella pneumoniae Azotobacter

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

16 Nitrogénkötő baktériumok SZABADONÉLŐ Azotobacter Beijerinckia Klebsiella Cyanobacteria* (néhány) (néhány), ASSZOCIATÍV Clostridium (néhány) Desulfovibrio bíbor kénbaktériumok* bíbor nem-kénbaktériumok* zöld kénbaktériumok* Cyanobacteria* zuzmók, cikászok Azospirillum, Azotobacter ENDOSZIMBIOTIKUS Pillangósokkal (Fabaceae) rhizobiumok - Rhizobiales Azorhizobium, Bradyrhizobium, Mesorhizobium, Rhizobium, Sinorhizobium Más növényekkel Azospirillum Frankia (Actinomycetales, Gram +) (*fotoszintetizáló)

zuzmók, cikászok Azospirillum, Azotobacter ENDOSZIMBIOTIKUS Pillangósokkal (Fabaceae) rhizobiumok - Rhizobiales Azorhizobium,

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

által kibocsájtott cukrok és egyéb szerves anyagok felhasználásával nyerhetik az energiát,

18 ASSZOCIATÍV kapcsolatok Cyanobacteria* - szabadonélő és asszociatív nitrogénkötők criptobiotikus kéreg a sivatagi homokon (Utah) jobb fölső és közép az első betelepülők (Mars?), cianobaktériumok, gombák, zuzmók, zöldalgák

sivatagi homokon (Utah) jobb fölső és közép az első

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

fotoszintetizáló filamentumok, fotoszisztem I és II, - oxigén termelés heterociszták (H)

20 Azolla Anabena asszociáció, levélben - rizsföldek növekedés és talajba kerülés után fokozza a kötött N2 tartalmat cikász - cianobaktérium asszociáció : a baktérium a talaj felszínén elágazó léggyökerekben található

tartalmat cikász - cianobaktérium asszociáció : a

Hasonló dokumentumok

A nitrogén körforgalma. A környezetvédelem alapjai május 3.

A nitrogén körforgalma. A környezetvédelem alapjai május 3. A nitrogén körforgalma A környezetvédelem alapjai 2017. május 3. A biológiai nitrogén körforgalom A nitrogén minden élő szervezet számára nélkülözhetetlen, ún. biogén elem Részt vesz a nukleinsavak, a