Вещество Рожь зерновка Яблоня плод Капуста листья Всего

Вещество Рожь, зерновка Яблоня, плод Капуста, листья Всего золы 2. 9% 1. 44% 20. 82% K 2 O 32. 1% 35. 7% 23. 1% Na 2 O 1. 5% 26. 2% 8. 9% Ca. O 2. 9% 4. 1% 28. 5% Mg. O 11. 2% 8. 7% 4. 1% Fe 2 O 3 1. 2% 1. 4% 1. 2% P 2 O 5 47. 7% 13. 7% SO 3 1. 3% 6. 1% 17. 4% Si. O 2 1. 4% 4. 3% 1. 9% Cl 0. 5% следы 12. 6%

Orites excelsa (Proteaceae), Австралия Чайный куст Camelia sinensis Содержание Al 2 O 3 в золе достигает 79%! До 27% Al 2 O 3 Поступает в форме Al. F 4–, т. е. высокое содержание фторида

Dichapetalum cymosum Около 40 видов растений из Австралии, Бразилии и Африки накапливают фтор в форме высокотоксичной монофторуксусной кислоты Монофторацетил -Коэнзим А Щавелевоуксусн ая кислота Gastrolobium Монофторлимон ная кислота ОСТАНОВКА ДЫХАНИЯ (ЦИКЛА

Sebertia acuminata, Новая Каледония Млечный сок: 1 моль/л раствор цитрата никеля 1 – 2% Ni в золе, 26% Ni от всех сухих веществ млечного сока!

До 1, 2 г Se на 1 кг золы. Токсический эффект – начиная с 1 – 5 мг на кг. Селен входит в состав селенометилцистеина – аминокислоты, которая встраивается в белки травоядных животных и нарушает их структуру. Astragalus pattersonii, Колорадо, США Животным полезен селеноцистеин

Justus Liebig Юстус Либих Ca Mg Zn S Fe K P

Wilhelm Knop Вильгельм Кноп ? 1858 г. – «от семян до семян» на искусственной среде Концентрация Вещество г/л Ca(NO 3)2 KNO 3 0. 25 KH 2 PO 4 0. 25 Mg. SO 4*7 H 2 O Julius Sachs Юлиус Сакс 1. 00 0. 125 Fe. Cl 3 0. 025 Микроэлементы содержались как примеси в реактивах и воде

Признаки дефицита К и Р

Признаки дефицита Fe, Zn, Ca

Признаки дефицита Mg, Cu, Mn

Безусловно необходимые элементы C, H, O – биогенные элементы, которые не считаются элементами минерального питания N, S, P, K, Mg, Ca – макроэлементы Fe – макро/микроэлемент B, Mn, Zn, Cu, Mo, Cl – микроэлементы Полезные элементы Si – злаки, осоки, хвощи и др. Na, Cl – галофиты, свекла

Жан-Батист Буссенго Содержание азота в почве + в семенах до опыта = после опыта Атмосферный азот (N 2) не пригоден для минерального питания растений, нужен нитрат или аммоний!

Nitrobacter Nitrosococcus Nitrosomonas Мартин Бейеринк

Нитрификация экскрементов в аэробных (относительно сухих) условиях Растительная пища, богатая калием и азотом

Индия? «Бенгальский огонь» Залежи калиевой селитры Китай? Огнестрельное оружие. Мушкетеры династии Минь Bertold Schwartz Бертольд Шварц

Древесная зола (источник K 2 CO 3) Навоз (источник NH 4+) Хворост (для аэрации)

После окончания ферментации (нитрификация) 1. Экстракция горячей водой 2. Упаривание 3. Кристаллизация 4. Высушивание 5. Помол с помощью медных жерновов

Снижение урожаев в Западной Европе, рост недовольства. Ухудшение снабжения армии

Нитрификация экскрементов в аэробных (относительно сухих) условиях Животная пища, богатая азотом

Дата Судно Вывезено чилийской селитры Март 1812 Фрегат «Трэйл» 150 тонн Май 1812 Бриг «Санта Барбара» 180 тонн Август 1812 Фрегат «Трэйл» 161 тонна Сентябрь 1812 Фрегат «Эспекуласьон » 209 тонн Ноябрь 1812 Бриг «Пилар» 46 тонн Декабрь 1812 Бриг «Канделария» 156 тонн Всего за 1812 год 902 тонны

Carl Bosch Карл Бош Fe, t°C, давление N 2 + 3 H 2 ↔ Fritz Haber 2 NH 3 Фриц Габер

Естественная азотфиксация за счет свободноживущих бактерий 150 млн тонн Промышленная азотфиксация: активность человека дает около 50% азота! 100 млн тонн Добыча полезных ископаемых 50 млн тонн 20 -25% площади заняты бобовыми 1960 1970 1980 1990

Биологическая азотфиксация Симбиотическая фиксация молекулярного азота Бобово-ризобиальный симбиоз (Rhizobium) Rh. leguminosarum – бактерии гороха, вики, кормовых бобов, чечевицы, Rh. phaseoli – фасоли, Rh. vigna – вигны, маша, арахиса, Rh. cicer – нута, Rh. lupini – люпина, Rh. trifolii – клеверов, Rh. meliloti – люцерны, донника, Rh. simplex –эспарцета, Rh. robinii – акации. Cимбиозы ольхи, облепихи Актиномицеты из рода Frankia Бобовые: 250 млн га (около 18% от общей площади полей) До 35 000 т N (около 75% от всей фиксации N 2 на полях; 23% от биосферной фиксации; примерно равно всей азотфиксации в океане!)

Весь азот атмосферы может быть зафиксирован при самых низких темпах фиксации примерно за 260 тыс. лет. С момента возникновения цветковых растений каждый атом азота был зафиксирован около 500 раз! Тип фиксации азота Примеры организмов Объем фиксации Свободноживущие азотфиксаторы Azotobacter, Azaspirillum, Clostridium pasteurianum 15 – 25 ц/га азота в год Симбиоз с Azolla Anabaena azollae 95 ц/га азота в год Симбиоз с Бобовыми Rhizobium 55 – 140 ц/га азота в год Симбиоз с ольхойц/га соответствуют 10, 25 см столба воздуха. в год Frankia 200 ц/га азота Каждые 10 Ольшанник за год фиксирует азот из столба воздуха более 2 м!

1. 2. 3. 4. Химический сигнал растений молекулы флавоноидов и бетаинов. Флавоноиды взаимодействуют с ризобиальным белком Nod D. Nod. D - активатор транскрипции генов вирулентности или nod-генов. nod-гены отвечают за синтез Nod-факторов

Nod-фактор Коровая паренхима Ризодерма (эпидермис корня) Плазмида p. Sym Флавоноид 1. 2. 3. Nod-факторы – липохитоолигосахариды - олигомеры на основе хитина «Общие» гены nod. A, nod. B, nod. C кодируют 3 фермента синтеза основной структуры nod-фактора, Другие nod-гены кодируют ферменты специфических химических модификаций липохитоолигосахаридов

Ядро Симбиосомы Биосинтез нодулинов Инфекционная нить Транспортные белки NH 3 леггемоглобин N 2

Нодулины: леггемоглобин транспортные белки симбиосом белки азотного и углеводного обменов

Многолетний клубенек Клубенек, работающий один сезон

N 2 + 8 H+ + 16 Mg. ATP + 8 e- → 2 NH 3 + H 2 + 16 Mg. ADP + 16 Pi Дыхание 8 е

Азотфиксация – «дорогостоящий» процесс как по энергии, так и по восстановителям. Если есть возможность поглощения «готового» азота, то растение отказывается от симбиоза.

Рисовые поля: 135 млн га (около 9% от общей площади полей) Azolla – д 4 000 т N (около 14% от всей фиксации N 2 на полях; примерно равно всей фиксации небобовых культур: а это 70% с/х площади!

Минеральные формы азота, используемые растением Нитрат NO 3 - Жан-Батист Буссенго + Аммоний NH 4+

ЛИСТЬЯ NO 3 - NH 4+ Аминокислоты КСИЛЕМА NO 3 - Белки ФЛОЭМА Аминокислоты КОРНИ NO 3 - NH 4+ Аминокислоты Белки ПОЧВЕННЫЙ РАСТВОР

Пластида Аммиак (аммоний) Нитрат НАД • Н Цитоплазма Нитритредуктаза Ни. Р Гликолиз 2 е Нитратредуктаза НР НАД+ Нитрит ФДокисл Световая фаза фото 6 е синтеза ФДвосст

Побочные активности: NO 2– → NO Cl. O 3– → Cl. O 2– 100 -114 к. Да Гликолиз 2 е НАД • Н НАД+ Фермент локализован в цитоплазме. Работает в форме димера. Кофакторы: 1) ФАД; 2) Гем; 3) Молибдоптерин ФАД Гем(Fe 2+) ФАДН 2 Гем(Fe 3+) ФАД-содержащий домен белка Мо- NO 2– кофактор Мокофактор Цитохром b 557 Мо-содержащий (домен белка) домен NO 3–

Молибдоптерин входит в состав: 1. Нитратредуктазы 2. Сульфитоксидазы 3. Альдегидоксидаз (в том числе окисляющей АБАльдегид до АБК) 4. Ксантиндегидрогеназы. Потребности в молибдене резко возрастают при нитратном питании

2 е НАД • Н НАД+ 100 -114 к. Да ФАД Гем(Fe 2+) ФАДН 2 Гем(Fe 3+) ФАД-содержащий домен белка Мокофактор Цитохром b 557 Мо-содержащий Ser домен │ OH 14 -3 -3 -белок Ф Киназа нитратредуктазы (ингибитор) Инактивация Быстрая регуляция путем фосфорилирования и присоединения 14 -3 -3 белков NO 2– NO 3–

2 е НАД • Н НАД+ 100 -114 к. Да ФАД Гем(Fe 2+) ФАДН 2 Гем(Fe 3+) ФАД-содержащий домен белка Мокофактор Инактивация Быстрая регуляция путем фосфорилирования и присоединения 14 -3 -3 белков NO 2– NO 3– Цитохром b 557 Мо-содержащий Ser домен Активация │ OH 14 -3 -3 -белок Ф Фосфатаза нитратредуктазы (ингибитор)

Долговременная регуляция: активация генома, трансляция 1. Транскрипционный уровень нитрат (↑), свет (↑), глутамин (↓), углеводы (↑), 2. Трансляционный уровень 3. Пост-трансляционный уровень количество белка, доступность субстратов

Н+ Вакуолярный (запасной) пул нитрата ВАКУОЛ [NO 3 -]=20 -70 Ь АТФ АДФ -]=1 - [NO 3 5 м. М НР, Ни. Р, Ntr м. РНК ЯДРО м. М NO 3 - Транспортный пул нитрата NO 3 - + ПЛАСТИД А Гл Регуляц ия ГС н Гл Метаболический НР пул нитрата у Ни. Р NO 2 Фд NН 4+ NO 3 НАД(Ф)Н - - - в 2 Н NO 3 + - Клетка корня Ксилема

Усиление накопления нитрата: 1. При избыточном удобрении 2. При плохом освещении Группа особого риска: Корнеплодные растения Нитрат накапливается с переработкой нитрата в вакуолях и выполняет только в листьях (свекла). функции: 1. Запас нитрата (депо) Nitraria retusa 2. Поддержание осмотического давления Безопасны: 1. Деревья и кустарники с переработкой нитрата только в корнях (яблоня, груша, вишня, черника, цитрусовые и др. ). 2. Сухие плоды (злаки, бобовые, подсолнечник и др. ).

Физиологическая функция Поглощение нитрата Гены NRT 1 NRT 2 Белок Регуляция в листьях в корнях NO 3 - транспортер высокого + + сродства NO 3 - транспортер низкого сродства + NIR нитритредуктаза + + Пластидная ГС + + GLN 2 Цитозольная ГС + + ГОГАТ + + ФЕПК + + PKs Цитозольная пируваткиназа + + CC Цитрат синтаза НАДФ- + + ICDH 1 Окислительновосстановительный потенциал (метаболизм) + PPC Метаболизм органических к-т Нитратредуктаза GLU Ассимляция аммония NIA DLN 1 Ассимиляция нитрата Изоцитратдегидрогеназа + + PGD 6 -фосфоглюконатдегидрогеназа ? + FNR ферредоксин: НАДФ оксидоредуктаза ? + FD ферредоксин ? + AДФ-

Токсичные формы азота Повреждающий и мутагенный эффект нитрита

Фермент локализован в пластидах. Мономер. Кофакторы: 1) 4 Fe-4 S; 2) Сирогем NO 2 - +6 Фдвосст+8 H+→NH 4+ +6 Фдокисл+2 H 2 O Световая фаза фотосинтеза 6 е Фдвосст 60 – 63 к. Да Сирогем 4 Fe 4 S (Fe 2+) NO 2– Фдокисл 4 Fe 4 S NН 4+ Ферредоксинсвязывающий домен белка Сирогем (Fe 3+)

Токсичные формы азота Разрядка Аммоний нарушает протонного гидратные оболочки градиента белков и других на мембранах биологических аммонием молекул IN ATP↔∆ H + NH 4+ + OH-↔NH 3+H 2 О NH 3 + H+↔NH 4+ OUT

Низкая концентрация аммония, цитозоль и пластиды NH 4+ Глутаминовая кислота Глутаминсинтетаза Глутамин (ГС) α-кетоглутарат Глутаминоксоглут аратаминотрансфераза (ГОГАТ) Глутаминовая кислота (2 молекулы) ГС/ГОГАТ путь NO 3 NO 2 NH 4+ α-кетоглутарат Глутаматдегидроген аза (ГДГ) Глутаминовая кислота Относительно высокая концентрация аммония, митохондрии ГДГ путь

2 Н 2 О Глутаматдегидрогеназа находится в митохондриях, её реакции обратимы О 2 Окисление в ЭТЦ дыхания НАД • Н НАД+ α-кетоглутарат Km= 10 80 м. М NH 3 2 е Глутаматдегидрогеназа (ГДГ)

Есть две формы фермента: 1) ГС 1 находится в цитоплазме; 2) ГС 2 находится в пластидах AТФ АДФ+Ф Глутамат Из внешней среды NH 3 Глутамин Глутамат Цитозольная глутаминсинтетаза 1 (ГС 1) 41 к. Да Восстановление нитрита NH 3 Глутамин Пластидная глутаминсинтетаза 2 (ГС 2) 44 к. Да

Глуфосинат – аналог глутамата, специфически ингибирующий глутаминсинтетазу Вернер Венниг, председатель совета директоров концерна «Bayer» В России эти фирмы пока еще недостаточно продвинулись Торговые названия глуфосината: «Liberty» ®, Aventis «Basta» ®, Bayer глуфосинат

ГОГАТ всегда находится в пластидах. Есть две формы: 1) Фд-ГОГАТ находится в зеленых тканях; 2) НАДФ-ГОГАТ находится в корнях Световая фаза фотосинтеза 2 е Глутамин Окислительный ПФЦ 2 е Лист Фдвосст Фдокисл α-кетоглутарат Глутамин Корень НАДФ • Н НАДФ+ α-кетоглутарат НАДФ-ГОГАТ 200 – 240 к. Да Фд-ГОГАТ 165 к. Да 2 х Глутамат Хлоропласт Лейкопласт

Цикл Кребса α-кетоглутарат АДФ+Ф Глутамин NH 4 N + ГС ГОГАТ Км=3 5 мкмоль НАДФ • Н Фдвосст НАДФ+ Фдокисл AТФ Глутамат

Корни Листья Аминокислоты Глутамат -кетоглутарат НАДН-ГОГАТ Фд-ГОГАТ ГС 1 ГС 2 Глутамат Глутамин Глутамат NH 4+ Фотодыхание Восстановление NO 3 - Глутамин Катаболизм аминокислот Поглощение из почвы Восстановление NO 3 -

НАДН NO 3 - глутамин + 2 -оксоглутарат Фд восст. ATФ NO 2 NH 4+ Фд восст. НАД(Ф)Н глутамат глутамин тетрапирролы аспарагин уреиды гистидин карбамоил фосфат триптофан трансаминирование орнитин /цитрулин аргинин пролин фитохелатины трансаминирование

Лирическое отступление

Растения отличают от других организмов два принципиально важных процесса: фотосинтез и вторичный метаболизм Академик А. Т. Мокроносов Вторичные метаболиты: • относительно низкомолекулярные соединения • не обязательно присутствуют в каждом растении • как правило, являются биологически активными соединениями • синтезируются из немногих первичных метаболитов. Основные классы: • алкалоиды: ~ 12 000 структур • изопреноиды: ~ 35 000 структур • фенольные соединения ~ 8 000 структур • минорные группы ~ 10 000 ?

Зачем нужен вторичный метаболизм растению? Основные точки зрения: • • Совсем не нужен (вторичные метаболиты – «отходы производства» ) Вторичные метаболиты – запасные соединения Вторичные метаболиты – защитные соединения Вторичные метаболиты – «биохимические инструменты» взаимодействия растения с окружающей средой

Алкалоиды разделяются на протоалкалоиды, истинные алкалоиды и псевдоалкалоиды

Алкалоиды – азотсодержащие «растительные яды»

… как, впрочем, и лекарства…

Мелантиевые (бывшие Лилейные) Colchicum boehrnmuellerii Б. Борнмюллера весенние листья Colchicum speciosum Безвременник великолепный Colchicum umbrosum, Б. теневой Крым, Кавказ Безвременник (Cоlchicum) содержит протоалкалоид колхицин. Colchicum ‘Waterlily’ – межвидовой гибрид

Capsicum annuum Перец стручковый (протоалкалоид капсаицин) Lycopersicon esculentum Помидор съедобный (стероидный псевдоалкалоиды соланин и томатин)

Nicotiana plumbaginifolia Nicotiana langsdorfii Nicotiana affinis Пиридиновый алкалоид никотин Sedum album также содержит алкалоид никотин Nicotiana sylvestris

Алкалоиды тропанового ряда происходят из L-орнитина. В пасленовых содержатся: атропин, скополамин, Дурман индейский Datura inoxia гиосциамин. Дурман обыкновенный Datura stramonium (алкалоид скополамин) Скополия карниолийская Scopolia carniolica (алкалоид скополамин, атропин)

Пасленовые • Общее содержание алкалоидов и их тип сильно варьирует. • Красный горький перец содержит протоалкалоид капсаицин, придающий горький вкус. Азот не входит в состав гетероцикла. • Обычно в состав суммы алкалоидов у многих видов пасленовых входят два вида тропановых алкалоидов атропин и скополамин, но в различных соотношениях и один из них преобладает. • Алкалоиды красавки и белены вызывают расстройства мышления, дурашливость, агрессия, невнятность речи, галлюцинации, эйфория-оцепенение. Покраснение кожи, сухость во рту, снижение температуры, сердцебиение, расширение зрачков. «Белены объелся» . Эффект развивается в течение 5 -6 минут и сохраняется в течение нескольких суток. • Соланин картофеля (псевдоалкалоид)близок по своему строению к гликозидам и сапонинам, биосинтез начинается с изопреноидного скелета, азот включается позднее, далее происходит гликозилирование. Особенно много соланина в кожуре (30 -60 мг на 100 гр. продукта). В прорастающем и позеленевшем картофеле (420730 мг на 100 гр. продукта). Разрушает кровь – гемолитическое, вызывает расстройство ЖКТ в дозе 200 -400 мг.

Narcissus ‘Bestseller’ Амариллисовые Название Narcissus происходит от греческого «наркос» «оцепенение» за пьянящий запах. Содержат алкалоид галантамин. Narcissus cyclamineus Narcissus ‘Berlin’ Бензилизо-хинолиновый ряд. Предшественник – L-тирозин.

Leucojum vernum Амариллисовые Leucojum aestivum Galanthus woronowii Leucojum aestivum Galanthus nivalis f. plena

Papaver somniferum Мак снотворный Papaver orientalis Мак восточный P. alpinum Маковые Glaucium flavum Мачек желтый Papaver somniferum пионоцветная форма Chelidonium majus Чистотел Hylomecon vernalis Лесной мак весенний Eschscholtia californica

Дитерпеновые псевдоалкалоиды АКОНИТИН, АТИЗИН Лютиковые Насчитывается 37 видов аконита, произрастающего в странах Азии, на Сахалине, Камчатке. Аконитин опасен не только при попадании с пищей и водой, но и при нанесении на неповрежденную кожу. Слюнотечение, рвота, понос. Далее слабость, озноб, резкое нарушение сердечного ритма. Зуд, двигательное возбуждение -паралич. • Наиболее ядовиты A. ferox и A. fischeri Aconitum lanuginosum Аконит шерстистый Aconitum napellus Аконит клобучковый

Добыча фосфатов Фосфор – это: 1. ДНК 2. РНК 3. АТФ, НАД и др. 4. Регуляция работы белков 5. Липиды мембран 6. (Костная ткань – межклеточное вещество) Потребление фосфатов

Запасы Добыча Производство Внесен 100% 85. 5% фосфорных 80. 5% ископаемого ие 68. 5% фосфора удобрений в почву 4. 5% 10% 5% 46% Естественные Потери Химическая Потери Эрозия ценозы: 69% добычипромышлен- при фасовке почвы, ность и транспорте вымывание Остатки растений: 11. 5% Животные Выделения % Хранен 15 животных: 86% 68. 5% Урожай 40% ие 3. 5% 40% урожая 20% Пригото 17% 5% в- 16. 5% Люди Потери урожая: Потери 1%! ление вредители, болез- при 7% 15. 5% пищи ни, пожары и др. хранени Очистки, Выделение и

Остается в биомассе человечества

30 млн тонн 20 млн тонн 6 млрд «Зеленая Либих показал человек роль фосфора в революция» , вызванная увеличении использованием урожая ископаемых фосфатов 4 млрд человек Американцы Умер добывают гуано Мальтус в Тихом океане 2 млрд человек 10 млн тонн Добыча ископаемых фосфатов Фекалии (используют уже более 5000 лет) Навоз 1800 1850 1900 1950 2000

экс Лин 2. 2 тра ейн 5% по ая до ляц 205 ия 0 г 9 млрд Расчет добывающих человек компаний до 2020 г. 30 млн тонн 20 млн тонн 6 млрд «Зеленая Либих показал человек роль фосфора в революция» , вызванная увеличении использованием урожая ископаемых фосфатов 4 млрд человек Американцы Умер добывают гуано Мальтус в Тихом океане 2 млрд человек 10 млн тонн Реалистический прогноз Добыча ископаемых фосфатов Фекалии (используют уже более 5000 лет) Навоз 1800 1850 1900 1950 2000 2050

1. Контроль за геохимическими циклами элементов. В первую очередь – углерод, затем фосфор. 2. Увеличение энергообеспеченности для производства нарастающих количеств азотных удобрений 3. Увеличение и стабилизация сельскохозяйственной продукции. В первую очередь – продуктов растениеводства 4. Развитие новых технологий концентрации и обогащения элементами минерального питания