Введение

Включение серы в живые организмы Ассимиляция серы - это процесс, посредством которого живые организмы включают серу в свои биологические молекулы. В растениях сульфат поглощается корнями, а затем транспортируется к хлоропластам по потоку трансипрации, где серы редуцируются до сульфида с помощью серии ферментативных реакций. Кроме того, уменьшенная сера входит в состав цистеина, аминокислоты, которая является предшественником многих других соединений, содержащих серу. У животных ассимиляция серы происходит в основном через пищу, так как животные не могут производить соединения, содержащие серу, напрямую. Сера входит в состав аминокислот, таких как цистеин и метионин, которые используются для создания белков и других важных молекул. Максимальная скорость поглощения сульфатов обычно достигается уже при уровнях сульфатов 0,1 мМ и ниже. Поглощение сульфата корнями и его транспортировка к побегу строго контролируется, и, по-видимому, это одно из основных регулирующих мест ассимиляции серы. Поглощение и транспортировка сульфата зависит от энергии (приводимая в действие протонным градиентом, генерируемым АТФазами) через сотранспорт протон/сульфат. В побеге сульфат разгружается и транспортируется в хлоропласты, где он редуцируется. Оставшийся сульфат в растительной ткани преимущественно присутствует в вакуоле, поскольку концентрация сульфата в цитоплазме сохраняется довольно постоянной. Отличительные сульфатно-транспортерные белки опосредуют поглощение, транспортировку и подклеточное распределение сульфата. Гены сульфатных транспортеров классифицируются в 5 различных групп в зависимости от их клеточной и субклеточной экспрессии генов и возможного функционирования. Каждая группа белков-транспортеров может экспрессироваться исключительно в корнях или побегах растения, или в обоих. Группа 1 - "транспортеры сульфатов высокой аффинитета", которые участвуют в поглощении сульфатов корнями. Группа 2 - сосудистые транспортеры и являются "транспортерами сульфатов с низкой аффинностью". Группа 3 - это так называемая "группа листьев", однако о характеристиках этой группы до сих пор мало что известно. Транспортеры группы 4 участвуют в выбросе сульфата из вакуолов, тогда как функция сульфатных транспортеров группы 5 пока не известна и, вероятно, функционирует только как транспортеры молибдата. Регулирование и экспрессия большинства сульфатных транспортеров контролируется содержанием серы в растительных продуктах. При лишении сульфата быстрое снижение сульфата в корне регулярно сопровождается значительно усиленной экспрессией большинства сульфатно-транспортерных генов (до 100 раз), сопровождающейся значительно усиленной способностью поглощения сульфата. Пока не полностью понятно, действуют ли сульфат и другие продукты метаболизма ассимиляции серы (ацетилсерин, цистеин, глутатион) в качестве сигналов в регуляции поглощения и транспорта сульфатов или в экспрессии участвующих сульфатных транспортеров.

Снижение содержания сульфатов в растениях

Редукция сульфатов происходит преимущественно в хлоропластах листьев. Здесь, редукция сульфата в сульфид происходит в три этапа. Сульфат необходимо активировать до аденозин-5'- фосфосульфата (APS) перед его редуцированием до сульфита. Активация сульфата каталитизируется сульфурилизой АТФ, которая имеет довольно низкий аффинный эффект к сульфату (Km приблизительно 1 мМ), и концентрация сульфата in situ в хлоропласте, скорее всего, является одним из ограничивающих/регулирующих этапов в процессе снижения содержания серы. Впоследствии APS редуцируется в сульфит, каталитизируемый APS редуктазой с вероятным глутатионом в качестве редуктора. Последняя реакция считается одной из основных точек регулирования в процессе сульфатного восстановления, поскольку активность редуктазы APS является самой низкой из ферментов пути сульфатного восстановления и имеет высокую скорость оборота. Сульфит с высокой аффинностью редуцируется сульфиторедуктазой до сульфида с ферродоксином в качестве редуктора. Оставшийся сульфат в растительной ткани переносится в вакуолу. Ремобилизация и перераспределение вакуолярных запасов сульфатов, по-видимому, происходит довольно медленно, и растения с дефицитом серы могут все еще содержать обнаруживаемые уровни сульфатов.

Цистеин

Сульфид включается в цистеин, каталитизируемый ацетилсериновой (тиол) лиазой, с ацетилсерином в качестве субстрата. Синтез O ацетилсерина каталитизируется серин ацетилтрансферазой и вместе с O ацетилсерин (тиол) лиазой он ассоциируется как комплекс ферментов, называемый цистеиновой синтезазой. Формирование цистеина является прямым шагом соединения серы (метаболизма серы) и ассимиляции азота в растениях. Это отличается от процесса в дрожжах, где сульфид должен сначала быть включен в гомоцистеин, а затем преобразован в цистеин в двух этапах. Цистеин является донором серы для синтеза метионина, другой основной серной аминокислоты, присутствующей в растениях. Это происходит через путь транссульфурирования и метилирования гомоцистеина. Как цистеин, так и метионин являются аминокислотами, содержащими серу, и имеют большое значение в структуре, конформации и функции белков и ферментов, но высокие уровни этих аминокислот могут также присутствовать в белках, хранящих семена. Тиольные группы остатков цистеина в белках могут быть окислены, в результате чего возникают дисульфидные мосты с другими боковыми цепями цистеина (и формируют цистин) и/или связывание полипептидов. Дисульфидные мосты (дисульфидные связи) вносят важный вклад в структуру белков. Тиольные группы также имеют большое значение в связывании ферментов с субстратами, в металлических кластерах серы в белках (например, ферредоксинах) и в регуляторных белках (например, тиоредоксинах).

Глутатион

Глутатион или его гомологи, например, гомоглутатион в Fabaceae; гидроксиметилглутатион в Poaceae являются основными водорастворимыми небелковыми тиольными соединениями, присутствующими в растительной ткани, и составляют 12% от общей сумры. Содержание глутатиона в растительной ткани колеблется от 0, 1 до 3 мМ. Цистеин является прямым предшественником для синтеза глутатиона (и его гомологов). Во-первых, γ-глутамилцистеин синтезируется из цистеина и глутамата, каталитируемого гамма-глутамилцистеиновой синтетазой. Во-вторых, глутатион синтезируется из γ глутамилцистеина и глицина (в гомологах глутатиона, β-аланине или серине), каталитируемых глутатионовой синтетазой. Оба этапа синтеза глутатиона являются реакциями, зависящими от АТФ. Глутатион поддерживается в уменьшенной форме NADPH-зависимой глутатионредуктазой, и соотношение уменьшенного глутатиона (GSH) к окисленному глутатиону (GSSG) обычно превышает значение 7. Глутатион выполняет различные функции в функционировании растений. В метаболизме серы он действует как редуктор при редукции АПС в сульфиты. Это также основная форма транспортировки уменьшенной серы в растениях. Корни, вероятно, во многом зависят от снижения содержания серы в побегах/корнях, передаваемой глютатионом через флоэму, поскольку снижение содержания серы происходит преимущественно в хлоропласте. Глутатион непосредственно участвует в редукции и ассимиляции селенита в селеноцистеин. Кроме того, глутатион имеет большое значение для защиты растений от окислительного и экологического стресса и подавляет/очищает образование токсичных реактивных видов кислорода, например, супероксида, перекиси водорода и липидных гидропероксидов. Глутатион действует как редуктор в процессе ферментативной детоксикации реактивных кислородных видов в цикле глутатионового аскорбата и как тиольный буфер в защите белков путем прямой реакции с реактивными кислородными видами или путем образования смешанных дисульфидов. Потенциал глутатиона в качестве защитного вещества связан с размером пула глутатиона, его окислительно-восстановительным состоянием (отношение ГСГ/ГСГ) и активностью глутатионредуктазы. Глутатион является предшественником для синтеза фитохелатинов, которые синтезируются ферментативно с помощью конститутивной фитохелатин- синтеза. Количество остатков γ- глутамил- цистеина в фитохелатинах может варьироваться от 25 иногда до 11. Несмотря на то, что фитохелатины образуют комплексы, которые могут быть использованы несколькими тяжелыми металлами, а именно: Предполагается, что эти соединения играют роль в гомеостазе тяжелых металлов и детоксикации путем буферизации цитоплазматической концентрации важнейших тяжелых металлов. Глутатион также участвует в детоксикации ксенобиотиков, соединений без прямой питательной ценности или значимости в метаболизме, которые при слишком высоких уровнях могут негативно повлиять на функционирование растений. Ксенобиотики могут быть детоксифицированы в конъюгационных реакциях с глутатионом, каталитируемым глутатион-С-трансферазой, активность которой является конститутивной; различные ксенобиотики могут индуцировать различные изоформы фермента. Глутатион S-трансферазы имеют большое значение в детоксикации и толерантности к гербицидам в сельском хозяйстве, и их индукция антидотами гербицидов ("защитными средствами") является решающим шагом для индукции толерантности к гербицидам у многих культурных растений. В естественных условиях предполагается, что глутатион-S трансферазы имеют значение в детоксикации липидных гидропероксидов, конъюгации эндогенных метаболитов, гормонов и продуктов деградации ДНК, а также в транспортировке флавоноидов.

Сульфолипиды

Сульфолипиды - это содержащие серу липиды. Сульфохиновозил-диацилглицеролы являются преобладающими сульфолипидами, присутствующими в растениях. В листьях его содержание составляет до 3 6% от общего содержания серы. Этот сульфолипид присутствует в пластидных мембранах и, вероятно, участвует в функционировании хлоропластов. Путь биосинтеза и физиологическая функция сульфохиновозил-диацилглицерола все еще исследуются. Из недавних исследований очевидно, что сульфит является вероятным предшественником серы для образования группы сульфохинозой этого липида.

Ассимиляция серы у животных

В отличие от растений, у животных нет пути прямого усвоения неорганических сульфатов в органические соединения. У животных основным источником серы является диетический метионин, незаменимая аминокислота, содержащая атом серы. Метионин сначала превращается в S аденозилметионин (SAM), соединение, которое участвует во многих важных биологических процессах, включая метилирование ДНК и синтез нейротрансмиттеров. Затем SAM может использоваться для синтеза других важных соединений, содержащих серу, таких как цистеин, таурин и глутатион. Цистеин является предшественником для синтеза нескольких важных белков и пептидов, а также глутатиона, мощного антиоксиданта, который защищает клетки от окислительного стресса. Таурин участвует в различных физиологических процессах, включая осморегуляцию, модуляцию сигнализации кальция и регулирование функции митохондрий.

Поглощение серы микроорганизмами

В бактериях и грибах путь ассимиляции серы похож на путь в растениях, где неорганический сульфат редуцируется до сульфида, а затем включается в цистеин и другие соединения, содержащие серу. Бактерии и грибы могут поглощать неорганический сульфат из окружающей среды через сульфатный транспортер, который регулируется наличием сульфата в среде. Как только сульфат попадает в клетку, он активируется сульфурилизой АТФ и образует аденозин-5'- фосфоссульфат (АФС), который затем редуцируется в сульфит редуктазой АФС. Сульфит далее редуцируется до сульфида сульфиторедуктазой, которая затем встраивается в цистеин ферментом. После синтеза цистеин может использоваться для биосинтеза метионина и других важных биомолекул. Кроме того, микроорганизмы также используют соединения, содержащие серу, для различных других целей, таких как синтез антибиотиков. Ассимиляция серы в микроорганизмах регулируется различными факторами окружающей среды, включая наличие серы в среде и присутствие других питательных веществ. Активность ключевых ферментов в процессе ассимиляции серы также регулируется ингибированием обратной связи от продуктов, поступающих в дальнейшем производстве, подобно регулированию, наблюдаемому у растений.

Метаболизм серы в растениях и загрязнение воздуха

Быстрый экономический рост, индустриализация и урбанизация связаны с значительным увеличением спроса на энергию и выбросами загрязняющих веществ воздуха, включая диоксид серы (см. также кислотный дождь) и сероводород, которые могут влиять на метаболизм растений. Свинцовые газы потенциально фитотоксичны, однако они также могут метаболизироваться и использоваться в качестве источника серы и даже быть полезными, если серное оплодотворение корней недостаточно. Всходы растений образуют поглотители атмосферных газов серы, которые могут непосредственно поглощаться листвой (сухое осаждение). Поглощение диоксида серы листьями, как правило, напрямую зависит от степени открытости стоматозных сосудов, поскольку внутреннее сопротивление этому газу низкое. Сульфит очень легко растворяется в апопластической воде мезофилла, где он диссоциации при образовании бисульфита и сульфита. Сульфиты могут непосредственно входить в путь редукции серы и быть сведены к сульфиду, включены в цистеин, а затем в другие соединения серы. Сульфиты также могут окисляться до сульфатов, экстра и внутриклеточно, посредством пероксидаз или неферментативно каталитизироваться металлическими ионами или супероксидными радикалами, а затем вновь редукционироваться и ассимилироваться. Избыточный сульфат переносится в вакуолу; повышенные уровни сульфата в листьях характерны для подверженных воздействию растений. Поглощение сероводорода листьями, по-видимому, напрямую зависит от скорости его метаболизма в цистеин и впоследствии в другие соединения серы. Существуют убедительные доказательства того, что O ацетилсерин (тиол) лиаза непосредственно отвечает за активную фиксацию атмосферного сероводорода растениями. Растения способны переходить от сульфата к поглощенной листьями атмосферной серы в качестве источника серы, и уровни 60 ппб или выше, по-видимому, достаточны для покрытия потребности растений в серы. Существует взаимодействие между использованием серы в атмосфере и в педосфере. Например, воздействие сероводорода может привести к снижению активности редуктазы APS и снижению поглощения сульфатов.