Кіріспе
Күкіртті тірі организмдерге енгізу Күкіртті сіңіру - тірі организмдердің биологиялық молекулаларына күкіртті енгізу процесі. Өсімдіктерде сульфат тамырлар арқылы сіңіріледі, содан кейін хлоропластарға трансипрация ағысымен тасымалданады, онда күкірт ферменттік реакциялардың көмегімен сульфидке дейін азаяды. Сонымен қатар, күкірт құрамында аздаған күкірт цистеинге қосылады. Жануарларда күкірттің сіңіруі негізінен тамақ арқылы жүзеге асады, өйткені жануарлар күкіртті құрайтын қосылыстарды тікелей өндіре алмайды. Күкірт ақуыздар мен басқа да маңызды молекулаларды құрастыру үшін қолданылатын цистеин мен метионин сияқты амин қышқылдарына қосылады. Сульфаттың ең жоғары сіңіру жылдамдығы әдетте 0, 1 мМ және одан төмен сульфат деңгейлеріне жетеді. Сульфатты тамырлар арқылы сіңіру және оның көкпарға тасымалдануы қатаң бақыланады және ол күкірт сіңірудің негізгі реттеуші орындарының бірі болып көрінеді. Сульфатты қабылдау және тасымалдау энергияға тәуелді (ATPазалар туғызатын протондық градиентпен басқарылады) протон / сульфаттық котранспорт арқылы. Сульфат ұрықтап шығарылады да, хлоропластқа жеткізіледі. Өсімдіктің тіндеріндегі қалған сульфат негізінен вакуолада болады, өйткені цитоплазмадағы сульфат концентрациясы тұрақты сақталады. Белгілі сульфат тасымалдаушы ақуыздар сульфаттың қабылдануына, тасымалдануына және субклеткалық таралуына ықпал етеді. Сульфат тасымалдаушы гендер отбасы олардың жасушалық және субжасушалық ген экспрессиясына және мүмкін болатын қызметіне сәйкес 5 түрлі топқа жіктеледі. Транспортерлік ақуыздардың әрбір тобы тек өсімдіктің тамырында немесе сабақтарында немесе екеуінде де экспрессиялануы мүмкін. 1-топ - "сорттастығы жоғары сульфат тасымалдаушылар", олар сульфатты тамырлар арқылы сіңіруге қатысады. 2-топ - қан тамырлары арқылы тасымалдағыш және "кіші афинитетті сульфат тасымалдағыш". 3-топ - "жапырақ тобы" деп аталады, алайда бұл топтың ерекшеліктері туралы әлі де аз мәлімет бар. 4-топтағы транспортерлер вакуолалардан сульфаттың ағып кетуіне қатысады, ал 5-топтағы сульфат транспортерлерінің қызметі әлі белгісіз және олар тек молибдат транспортерлері ретінде жұмыс істейді. Сульфат тасымалдаушылардың көпшілігінің реттеуі мен экспрессиясы өсімдіктердің күкірттік қоректік жағдайымен реттеледі. Сульфатты айырбастау кезінде тамыр сульфатының тез төмендеуі сульфат тасымалдаушы гендердің көпшілігінің экспрессиясының (100 есеге дейін) айтарлықтай жоғарылауымен қатар сульфатты сіңіру қабілеті де айтарлықтай жоғарылайды. Сүлбетті сіңірудің сульфат және басқа метаболистік өнімдері (ацетилсерин, цистеин, глутатион) сульфатты сіңіру мен тасымалдауды реттеуде немесе сульфат тасымалдаушылардың экспрессиясында сигнал ретінде әрекет етеді ме, жоқ па, әлі толық түсініксіз.
Sulfur assimilation is the process by which living organisms incorporate sulfur into their biological molecules. In plants, sulfate is absorbed by the roots and then be transported to the chloroplasts by the transipration stream where the sulfur are reduced to sulfide with the help of a series of enzymatic reactions. Furthermore, the reduced sulfur is incorporated into cysteine, an amino acid that is a precursor to many other sulfur containing compounds. In animals, sulfur assimilation occurs primarily through the diet, as animals cannot produce sulfur containing compounds directly. Sulfur is incorporated into amino acids such as cysteine and methionine, which are used to build proteins and other important molecules. The maximal sulfate uptake rate is generally already reached at sulfate levels of 0.1 mM and lower. The uptake of sulfate by the roots and its transport to the shoot is strictly controlled and it appears to be one of the primary regulatory sites of sulfur assimilation. The uptake and transport of sulfate is energy dependent (driven by a proton gradient generated by ATPases) through a proton/sulfate co transport. In the shoot the sulfate is unloaded and transported to the chloroplasts where it is reduced. The remaining sulfate in plant tissue is predominantly present in the vacuole, since the concentration of sulfate in the cytoplasm is kept rather constant. Distinct sulfate transporter proteins mediate the uptake, transport and subcellular distribution of sulfate. The sulfate transporters gene family has been classified in up to 5 different groups according to their cellular and sub cellular gene expression, and possible functioning. Each group of transporter proteins may be expressed exclusively in the roots or shoots of the plant, or both. Group 1 are 'high affinity sulfate transporters', which are involved in the uptake of sulfate by the roots. Group 2 are vascular transporters and are 'low affinity sulfate transporters'. Group 3 is the so called 'leaf group', however, still little is known about the characteristics of this group. Group 4 transporters are involved in the efflux of sulfate from the vacuoles, whereas the function of Group 5 sulfate transporters is not known yet, and likely function only as molybdate transporters. Regulation and expression of the majority of sulfate transporters are controlled by the sulfur nutritional status of the plants. Upon sulfate deprivation, the rapid decrease in root sulfate is regularly accompanied by a strongly enhanced expression of most sulfate transporter genes (up to 100 fold), accompanied by a substantially enhanced sulfate uptake capacity. It is not yet fully understood whether sulfate and other metabolic products of sulfur assimilation (O acetylserine, cysteine, glutathione) act as signals in the regulation of sulfate uptake and transport, or in the expression of the sulfate transporters involved.
Өсімдіктердегі сульфаттарды азайту
Сульфаттың азаюы негізінен жапырақ хлоропластарында жүреді. Бұл жерде сульфаттан сульфидке дейін үш қадаммен ажыратылады. Сульфатты сульфитке дейін азайту үшін аденозин 5' фосфоссульфатына (APS) белсендіру қажет. Сульфатты активтеуді ATP сульфурилаза катализациялайды, оның сульфатқа аффинитеті өте төмен (Km шамамен 1 мМ), ал хлоропласта сульфаттың ин-situ концентрациясы күкіртті азайтудың шектейтін / реттеуші қадамдарының бірі болып табылады. Кейіннен APS сульфитке дейін кемітіледі, оны APS редуктаза катализациялайды, әрине, редутант ретінде глутатион қолданылады. Соңғы реакция сульфатты азайтудағы негізгі реттеу нүктелерінің бірі болып табылады, өйткені APS редуктазаның белсенділігі сульфатты азайту жолындағы ферменттердің ең төменгісі болып табылады және оның жылдам айналым жылдамдығы бар. Сульфит редуктаза арқылы ферродоксинді редуктант ретінде сульфитке жоғары аффинитетпен азаяды. Өсімдіктің тініндегі қалған сульфат вакуолаға көшіріледі. Вакуолярлық сульфат қорларының қайта мобилизациясы мен қайта бөлінуі баяу жүреді және күкірт жетіспейтін өсімдіктерде әлі де сульфаттың анықталатын деңгейі болуы мүмкін.
Цистеин
Сульфид цистеинге қосылады, O ацетилсерин (тиол) лиаза арқылы катализделеді, субстрат ретінде O ацетилсерин қолданылады. О ацетилсериннің синтезін серин ацетилтрансфераза катализациялайды және О ацетилсерин (тиол) лиазамен бірге цистеин синтезасы деп аталатын фермент кешені ретінде байланысты. Цистеиннің түзілуі - өсімдіктердегі күкірт (күкірт метаболизмі) мен азотты сіңірудің тікелей бірігуі. Бұл ашытқыдағы процестен ерекшеленеді, онда сульфид алдымен гомоцистеинге қосылуы керек, содан кейін екі қадамда цистеинге айналады. Цистеин өсімдіктердегі күкіртті құрайтын басқа негізгі амин қышқылы метионин синтезі үшін күкірт доноры болып табылады. Бұл транссерпілу жолы және гомоцистеиннің метилирленуі арқылы жүзеге асады. Цистеин де, метионин де күкіртті құрайтын амин қышқылдары болып табылады және олар ақуыздар мен ферменттердің құрылымы, пішіні мен қызметінде үлкен маңызға ие, бірақ бұл амин қышқылдарының жоғары деңгейі тұқымдарды сақтау ақуыздарында да болуы мүмкін. Белгідегі цистеин қалдықтарының тиолдық топтары тотығуы мүмкін, нәтижесінде дисульфидті көпірлер басқа цистеин жақтау тізбектерімен (және цистинді құрайды) және/немесе полипептидтердің байланысы пайда болады. Дисульфидті көпірлер (дисульфидті байланыстар) ақуыздардың құрылысына маңызды үлес қосады. Тиол топтары ферменттердің субстратты байланысуында, металл күкірт кластерлерінде ақуыздарда (мысалы, ферредоксиндерде) және реттеуші ақуыздарда (мысалы, тиоредоксиндерде) де үлкен маңызға ие.
Глутатион
Глутатион немесе оның гомологтары, мысалы, Fabaceae-дегі гомоглутатион; Poaceae-дегі гидроксиметилглутатион өсімдіктер тіндерінде кездесетін суда еритін негізгі протеин емес тиол қосылыстары болып табылады және жалпы күкірттің 12 пайызын құрайды. Өсімдіктің тіндеріндегі глутатион мөлшері 0, 1 - 3 мМ аралығында болады. Цистеин глютатионның (және оның гомологтарының) синтезі үшін тікелей прекурсор болып табылады. Біріншіден, γ- глутамилцистеин цистеиннен және гамма- глутамилцистеин синтетазасы катализациялаған глутаматтан синтезделеді. Екінші, глутатион γ глутамилцистеин мен глициннен (глутатион гомологтарында, β аланин немесе серинде) синтезацияланады. Глутатион синтезінің екі қадамы да АТФ тәуелді реакциялар. Глутатионның азаю формасы NADPH тәуелді глютатион редуктаза арқылы сақталады және азаюлы глютатионның (GSH) тотыққан глютатионға (GSSG) қатынасы әдетте 7- ден асады. Глутатион өсімдіктің жұмыс істеуінде әр түрлі рөл атқарады. Күкірт метаболизмі кезінде ол APS- ті сульфитке дейін азайтуда редуктор ретінде қызмет етеді. Сонымен қатар, өсімдіктердегі күкірттің негізгі тасымалдау түрі болып табылады. Тамырлар күкіртпен қамтамасыз етілуінің төмендеуі негізінен глютатионның флоэма арқылы көкпардың көкпармен қамтамасыз етілуіне байланысты, өйткені күкірттің төмендеуі негізінен хлоропласта болады. Глутатион селениттің селеноцистеинге қайта бөлінуіне және сіңірілуіне тікелей қатысады. Сонымен қатар, глутатион өсімдіктерді тотықтырғыш және қоршаған ортаның әсерінен қорғауда үлкен маңызға ие және ол улы реактивті оттегі түрлерінің, мысалы, супероксид, сутек переоксиді және липидтік гидропероксидтердің пайда болуын тежейді/азалайды. Глутатион аскорбат циклында реактивті оттегі түрлерінің ферменттік детоксикациясында редуктант ретінде және реактивті оттегі түрлерімен тікелей реакция арқылы немесе аралас дисульфидтер түзілу арқылы ақуыздарды қорғауда тиол буфері ретінде қызмет етеді. Глутатионның қорғаныш ретінде әлеуеттілігі глютатионның бассейнінің көлеміне, оның редокстық күйіне (GSH / GSSG қатынасы) және глютатион редуктазасының белсенділігіне байланысты. Глутатион - фитохелатиндер синтезінің прекурсоры, олар ферменттік синтезделеді. Фитохелатиндердегі γ- глютамил цистеин қалдықтарының саны 25- тен, кейде 11- ге дейін жетуі мүмкін. Фитохелатиндер бірнеше ауыр металдардың, атап айтқанда, Кадмий, бұл қосылыстар ауыр металдардың гомеостазында және цитоплазмалық концентрациясын буферлеу арқылы токсиндерді жоюда рөл атқарады деп болжанады. Глутатион сондай-ақ ксенобиотиканың, яғни тікелей тағамдық құндылығы жоқ және зат алмасуда маңыздылығы жоқ қосылыстардың детоксикациясына қатысады, олар тым жоғары деңгейде өсімдіктің жұмыс істеуіне кері әсер етуі мүмкін. Ксенобиотиктер конъюгациялық реакцияларда глютатион S трансферазасымен катализделетін глютатионмен детоксикациялануы мүмкін, оның белсенділігі конститутивті; әр түрлі ксенобиотиктер ферменттің әртүрлі изоформаларын тудыруы мүмкін. Глутатион S трансферазалары егіншілікте гербицидтерді детоксикациялау мен толеранттылық үшін үлкен маңызға ие және олардың гербицидтерге қарсы антидоттар ("сафендерлер") арқылы индукциясы көптеген дақылдарда гербицидтерге толеранттылықты индукциялау үшін шешуші қадам болып табылады. Табиғи жағдайларда глютатион S трансферазалары липид гидропероксидтерін детоксикациялау, эндогендік метаболиттер, гормондар мен ДНК ыдырауының өнімдерін конъюгациялау және флавоноидтарды тасымалдауда маңызды рөл атқарады деп болжанады.
Сульфолипидтер
Сульфолипидтер - күкірт құрайтын липидтер. Сульфохиновозылдиацилглицеролдар өсімдіктердегі басым сульфолипидтер болып табылады. Жапырақтарында оның құрамы жалпы күкірттің 3 6% -ына дейін құрайды. Бұл сульфолипид пластид мембраналарында болады және хлоропласттардың жұмыс істеуіне қатысы бар. Сульфохиновозилдиацилглицеролдың биосинтез жолы мен физиологиялық қызметі әлі де зерттелуде. Соңғы зерттеулерден сульфиттің бұл липидтің сульфохинозоз тобын қалыптастыру үшін күкірт прекурсоры екені анық.
Жануарларда күкірт сіңіру
Өсімдіктерден айырмашылығы, жануарларда органикалық емес сульфатты органикалық қосылыстарға тікелей сіңіру жолы жоқ. Жануарларда күкірттің негізгі көзі - күкірт атомын қамтитын маңызды амин қышқылы - метионин. Метионин алдымен S аденозилметионинге (SAM) айналады, бұл көптеген маңызды биологиялық процестерге, соның ішінде ДНК метилирлеуге және нейротрансмиттер синтезіне қатысатын қосылыс. Содан кейін SAM цистеин, таурин және глутатион сияқты күкіртті құрайтын басқа да маңызды қосылыстарды синтездеуге пайдаланылуы мүмкін. Цистеин бірнеше маңызды ақуыздар мен пептидтер синтезінің алғысы, сондай-ақ жасушаларды окистену стрессінен қорғайтын күшті антиоксидант глютатион. Таурин түрлі физиологиялық процестерге қатысады, соның ішінде осморегуляция, кальций сигнализациясының модуляциясы және митохондриялық функцияларды реттеу.
Микроорганизмдерде күкірттің сіңірілуі
Бактериялар мен саңырауқұлақтарда күкірт сіңіру жолы өсімдіктердегіге ұқсас, онда органикалық емес сульфат сульфидке дейін азаяды, содан кейін цистеинге және күкіртті құрайтын басқа қосылыстарға қосылады. Бактериялар мен саңырауқұлақтар ортадағы сульфаттың болуымен реттелетін сульфат тасымалдаушы арқылы қоршаған ортадан бейорганикалық сульфатты сіңіре алады. Ұяшық ішінде сульфат АТФ сульфурилазасымен белсендіріліп, аденозин 5' фосфоссульфаты (АФС) пайда болады, содан кейін АФС редуктазасымен сульфитке дейін азаяды. Сульфитті сульфит редуктаза арқылы сульфитке дейін қайта түзеді, содан кейін фермент арқылы цистеинге қосылады. Синтезденгеннен кейін цистеин метионин мен басқа да маңызды биомолекулалардың биосинтезіне пайдаланылуы мүмкін. Сонымен қатар, микроорганизмдер күкіртті құрайтын қосылыстарды антибиотиктерді синтездеу сияқты басқа мақсаттарда пайдаланады. Микроорганизмдердегі күкірттің сіңірілуін қоршаған ортаның әртүрлі факторлары реттейді, соның ішінде ортада күкірттің болуы және басқа да қоректік заттардың болуы. Күкірт сіңіру жолындағы негізгі ферменттердің белсенділігі өсімдіктердегідей, төменгі сатыдағы өнімдердің кері байланыс ингибициясы арқылы реттеледі.
Өсімдіктердегі күкірт метаболизмі және ауаның ластануы
Экономиканың қарқынды өсуі, индустрияландыру және урбанизация энергияға деген сұраныстың және ауаға шығатын ластаушы заттардың, соның ішінде күкірт диоксиді (сонымен қатар қышқыл жаңбырды қараңыз) және сутегін сутегінің қатты өсуімен байланысты, бұл өсімдіктердің зат алмасуына әсер етуі мүмкін. Күкірт газдары фитотоксикалық әсері бар, бірақ олар метаболизмге түсіп, күкірт көзі ретінде пайдаланылуы мүмкін, тіпті тамырлардың күкіртпен тыңайтылуы жеткіліксіз болса, пайдалы болуы мүмкін. Өсімдіктер өркендері атмосфералық күкірт газдарын сіңіретін орынды құрайды, оны жапырақтар тікелей сіңіре алады (құрғақ шөгінді). Қант диоксидінің жапырақтағы сіңіруі, әдетте, стоматтардың ашылу дәрежесіне тікелей байланысты, өйткені бұл газға ішкі кедергісі төмен. Сульфит мезофилдің апопластикалық суында өте жақсы ериді, онда бисульфит пен сульфит пайда болып, диссоциацияланады. Сульфит күкірттің редукция жолынан тікелей өтіп, сульфидке, цистеинге, содан кейін басқа күкірт қосылыстарына қосылуы мүмкін. Сульфиттер де күкіртке оксидациялануы мүмкін, олар пероксидазалар арқылы экстра және клеткааралық түрде немесе металл иондары немесе супероксид радикалдары арқылы ферменттік емес катализацияланады, содан кейін қайтадан азайып, сіңіріледі. Артық сульфат вакуолаға беріледі; жапырақтағы сульфат деңгейінің жоғарылауы зардап шеккен өсімдіктерге тән. Сутек күкіртін жапырақтар арқылы сіңіру оның цистеинге, содан кейін басқа күкірт қосылыстарына метаболизмі жылдамдығына тікелей байланысты болып көрінеді. Өсімдіктер атмосфералық сутегін белсенді бекітеді дегенге тікелей жауапты O ацетилсерин (тиол) лиаза екендігіне айқын дәлелдер бар. Өсімдіктер күкірт көзі ретінде сульфаттан жапырақтармен сіңірілген атмосфералық күкіртке ауыса алады және 60 н / б немесе одан жоғары деңгейлер өсімдіктердің күкірт қажеттілігін қамтамасыз етуге жеткілікті болып көрінеді. Атмосфералық және педосфералық күкірт пайдалануы арасында өзара іс-қимыл бар. Мысалы, сутек сульфиді әсерінен APS редуктазаның белсенділігі төмендейді және сульфатты сіңіру төмендейді.