1 / 282

NITROGEN

NITROGEN. M E T A B O L I S M. Nitrogen Metabolism. - Phycocyanin - Phycoerytrin - ATP - Coenzyme - Alkaloid - Vitamine - Hormone บางชนิด. - 78% ปัจจัยจำกัดการ เจริญเติบโตของพืช - Protein - Chlorophyll - Nucleic acid - Phytochorme. # พืชไม่สามารถใช้ N 2 ในรูปของ gas ได้

keefe-brady
Download Presentation

NITROGEN

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. NITROGEN METABOLISM

  2. Nitrogen Metabolism - Phycocyanin - Phycoerytrin - ATP - Coenzyme - Alkaloid - Vitamine - Hormone บางชนิด - 78% ปัจจัยจำกัดการ เจริญเติบโตของพืช - Protein - Chlorophyll - Nucleic acid - Phytochorme

  3. # พืชไม่สามารถใช้ N2ในรูปของ gasได้ #N2NO3- , NH4+ #NO3-สูญหายไปจากดินได้งายกว่า NH4+ reduced

  4. Nitrogen Cycle N2ในบรรยากาศ ดิน น้ำและในสิ่งมีชีวิต มีการเปลี่ยนรูปไปมาโดยกระบวนการทางกายภาพและชีวภาพ ซึ่งเกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิตและไม่มีชีวิต เรียกการเปลี่ยนแปลงสารประกอบ ไนโตรเจนนี้ว่า วัฏจักรไนโตรเจน (Nitrogen cycle)

  5. วัฏจักรไนโตรเจนอย่างง่าย (Lea and Leegood, 1993)

  6. วัฏจักรไนโตรเจน (Taiz and Zeiger, 1991)

  7. ปฏิกิริยาทางเคมีในวัฏจักรไนโตรเจนปฏิกิริยาทางเคมีในวัฏจักรไนโตรเจน 1. Nitrogen fixation - nonbiological fixation Haber-Bosch process (high temp., high pressure) simplest equation for nitrogen fixation N2 + 3H2 2NH3 - Biological nitrogen fixation N2 + 8H - + 8e - + 16 ATP 2NH4+ + H2+ + 16ADT + 16Pi

  8. 2. Assimilation of ammonia NH4+ amino acid 3. Nitrification nitrifying bacteria NH4+ NO3- 4. Denitrification anaerobic NO3- N2 denitrifying bacteria

  9. 5. Nitrate reduction NO3- NH4+ 6. Ammonification (mineralization) organic matter NH4+

  10. Nitrogen fixing organism microbe Symbiosis Rhizobium, Actinomycetes Associations Azospirillum, Azotobacter Free living Azotobacter, Klebsiella (non-symbiotic organism) Rhodospirillum

  11. vegetative cells and heterocysts of nitrogen-fixing cyanobacterium Anabena cylindrica

  12. Symbiotic nitrogen fixers สิ่งมีชีวิต 2 ชนิดอยู่ร่วมกัน และต่างก็ทำประโยชน์ให้แก่กัน 1. Symbiosisระหว่างพืชตระกูลถั่ว (Fam. Fabaceae หรือ Leguminosae) กับแบคทีเรียพวก Rhyzobium ถั่ว : Carbon source Rhizobium : NH3

  13. ตัวอย่างการอยู่ร่วมกันระหว่าง Rhizobium กับพืชตระกูลถั่ว (Taiz and Zeiger, 1991) Rhizobium species Preferred host genus R. leguminosarum Pisum (pea), Vicia (broad bean) Lens (lentil), Cicer (chick pea) R. trifolii Trifolium (clover) R. phaseoli Phaseolus (kidney bean) R. meliloti Medicago (alfalfa) Melilotus (sweet clover) R. japonicum Glycine (soy bean)

  14. 2. Symbiosisระหว่าง Klebsiellaกับพืชที่อยู่ในเขต ร้อน (tropical plants) เช่น Psychotria sp. 3. Symbiosisระหว่าง สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินกับ พืชพวก gymnospermเช่น cycad 4. Symbiosisระหว่าง สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน Anabaenaกับแหนแดง (Azola) - มีความสำคัญต่อนาข้าวในเขต Southeast Asia - Anabaena azolaeตรึง N2ได้สูงถึง 450 kg/N/ha/yr

  15. 5. Symbiosisระหว่างสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน กับ Fungi - (Lichen) * สาหร่ายทำหน้าที่สังเคราะห์ด้วยแสง + ตรึง N2 * Fungi ปล่อยกรดบางชนิดทำให้หินผุ 6. Symbiosisระหว่างพวก Frankia (actinomycetes bacteria) กับพืชพวก alder (Alnus) * ความสัมพันธ์แบบ actinorhizal association * มักพบในพืชพวก shurbsหรือ tree

  16. Root nodule in Soybean infected by Rhizobium japonicum Root nodule of Alder tree infected by actinomycetes bacteria

  17. 7. Symbiosisระหว่าง Fungiพวก mycorrhizaกับรากพืช พวก Alderโดย Fungiจะให้สารพวกอนินทรีย์แก่พืช โดยเฉพาะP ประเภทของMycorrhiza 1. Ectomycorrhiza - สร้าง myceliumนอกรากพืช - พบใน woody perennial species 2. Endomycorrhiza - สร้าง mycelium ในcortex - ส่วนใหญ่พบในพืชพวก annual และ biennial พืชเศรษฐกิจส่วนใหญ่มี Fungi แบบ endomycorrhizal type

  18. Root infected by ectotrophic mycorrhizal fungi symbiosis ระหว่าง mycorrhiza กับรากพืช (Taiz and Zeiger, 1991)

  19. การอยู่ร่วมกันของสิ่งมีชีวิตแบบพึ่งพากันการอยู่ร่วมกันของสิ่งมีชีวิตแบบพึ่งพากัน (Lea and Leegood, 1993) 1. Host : Legumes and Parasponia Rhizobiaceae Azorhizobium (fixes N2 eg planta) Bradyrhizobium (usually slow growing,some strains fix N2 eg planta) Photorhizobium (photosynthetic) Rhizobium (fast growing, most strains do not fix N2 eg planta) Sinorhizobium (fast growing)

  20. 2. Host : Non - legumes (actinorhizal plants) Alnus, Casuarina, Elaeagnus, Myrica Actinomycetales (Frankia) 3. Host : Various e.g. Gunnera (angiosperm), Macrozamia (cycad), Azolla (pteridophyte), Blasia (bryophyte), Rhizosolenia (diatom), Certain lichens (fungi), Siphonochalina (sponge) Cyanobacteria

  21. Associative nitrogen fixers เป็นการตรึง N2ที่เกิดจากการอยู่ร่วมกัน แบบ loosely symbiotic ฝ่ายหนึ่งได้ประโยชน์แต่อีกฝ่าย ไม่ได้เสียประโยชน์

  22. การตรึง N2ของพืชตระกูลถั่ว ปมรากถั่วมักมีแบคทีเรียพวก Rhizobium อยู่แบบได้ประโยชน์ทั้งสองฝ่าย พืชตระกูลถั่วได้รับสารประกอบไนโตรเจน (amino acid ชนิดต่างๆ) แบคทีเรียได้รับสารพวก reduced carbon (แหล่งพลังงาน)

  23. bact. เข้าสู่รากพืชทาง root hair สร้างปมลักษณะกลมหรือรี เมื่อ bact. อยู่รอบ root hair ทำให้ root hair ปลดปล่อยสาร บางอย่างออกมา สารนี้มีผลให้ bact. เกิดการแบ่งเซลล์ เพิ่มจำนวน bact. ผ่าน root hair ไปยัง cortex เรียก “infected thread” bact. เข้าไปอยู่ใน cytoplasm ของเซลล์พร้อมกับปล่อยสาร ออกมา มีผลทำให้ปริมาณ DNA ใน nucleuse ของเซลล์ ในชั้น cortex เพิ่มมากขึ้น เกิดปมที่ราก

  24. bact. ที่รวมกันอยู่เป็นกลุ่มเรียกว่า Bacteroid ภายใน bacteroid มีเอนไซม์ที่จำเป็นต่อการตรึง N2จากบรรยากาศ @ การตรึง N2ในภาคอุตสาหกรรมต้องใช้ temp. สูง และความดันมาก @Biological reduction of N2 NH3 เป็นปฏิกิริยา highly endergonic process ต้องการพลังงาน 960 K.J mol-1 N fixed (Sprent and Raven, 1985)

  25. กลไกการตรึงไนโตรเจนโดยสิ่งมีชีวิต (Mechanism of Biological Nitrogen Fixation) ลักษณะของสิ่งมีชีวิตที่สามารถตรึง N2ได้ 1. มี enz. nitrogenase ในรูป active form (ลักษณะเฉพาะของ N2 - fixing microorganism) 2. มีกลไกป้องกันไม่ให้ enz. nitrogenase ทำปฏิกิริยากับ O2 3. มีแหล่งให้ electron และ proton 4. มีปฏิกิริยาการตรึงไนโตรเจน 5. มีสารที่ดักทำปฏิกิริยากับแอมโมเนียที่เกิดจากการตรึง N2

  26. เอนไซม์ไนโตรจีเนส * การศึกษากระบวนการตรึง N2เริ่มโดย Mc coy Wilsonและ Burrisมหาวิทยาลัย Wisconsinในช่วงปี 1930 *enz. nitrogenaseเป็น enz.ที่สำคัญในการตรึง N2 *แยกได้ในปี 1959 โดย Carnahan, Mortensenและ Valentine *สกัด enz.นี้จาก Clostridium pasteurianum *หลังจากนั้นมีผู้สกัด enz.จากสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินที่ สามารถตรึง N2ได้

  27. การที่ไม่สามารถแยก nitrogenase อาจเนื่องมาจาก 1. การแยก enz.ส่วนใหญ่ทำที่ temp. ต่ำๆ เพื่อป้องกันการเกิด inactivation แต่ enz. nitrogenaseมักถูก inactivate โดย temp. ต่ำ (cold labile) 2. ต้องแยก nitrogenaseในสภาพที่ไม่มี O2(anaerobic condition) เพราะ nitrogenaseถูก inactivate โดยO2 3. การทำงานของ nitrogenaseต้องการ ATPด้วย 4. การ reuced N2ไปเป็น NH3ต้องอาศัย strong reducing agent ซึ่งในอดีตยังไม่พบ biological reduceing agentที่เหมาะสม ต่อมาพบว่า ferredoxinเป็น reducing agentที่เหมาะสม

  28. สิ่งที่จำเป็นต่อการตรึงไนโตรเจน (in vitro) 1. gas N2 (molecular nitrogen) 2. reducing agent คือ ferredoxin 3. ATP หรือสารอื่นที่ให้ ATP ได้ 4. non heme iron protein (NHI) ซึ่งมี Mo เป็นองค์ประกอบ 5. NHI protein อีกชนิดที่ไม่มี Mo ซึ่งสลายได้ง่าย ใน low temp. (cold labile)

  29. การทดลองของ Evans และคณะ ในค.ศ. 1966 ทดลองสกัด nitrogenase จากปมถั่วเหลือง ทดลองที่รัฐโอเรกอน สหรัฐอเมริกา ความสำเร็จของการทดลองเกิดเนื่องจาก ไม่มี O2เกี่ยวข้องกับการทดลอง ป้องกันไม่ให้มี phenol oxidase ในระบบ ใช้ gas-liquid chromatographyเป็นเครื่องมือ สำหรับทดสอบ (assay) โดยใช้ระบบการ reduced ก๊าซ acetylene เป็นก๊าซ ethylene

  30. โครงสร้างและหน้าที่ของเอนไซม์ไนโตรจีเนสโครงสร้างและหน้าที่ของเอนไซม์ไนโตรจีเนส (Structure and function of nitrogenase enzyme) ชนิดของ nitrogenase 1. Fe-Mo-protein (iron molybdenum protein) - เป็นโปรตีนที่ไวต่อความเย็น - Fe-Mo-protein มี MW ระหว่าง 100,000-200,000 - มี subunitย่อยคือ a2กับ b2 ที่ประกอบด้วย Fe และ Moเรียก component I - เมื่อถูกความเย็นจะสูญเสีย activityเป็น cold labile

  31. 2. Fe-S protein (iron-sulfur protein) - sensitive ต่อ O2 - มี MW 50,000-80,000 - ประกอบด้วย 2 subunit ที่เหมือนกัน เรียก component 2

  32. บางระบบจำแนก nitrogenase เป็น 3 ชนิดดังนี้ 1. ชนิดที่ประกอบด้วย Mo และเหล็ก (Mo-nitrogenase) 2. ชนิดที่ประกอบด้วย Vanadium และเหล็ก (V-nitrogenase) (แทน Mo) (Rosendahl et al., 1992) 3. ชนิดที่ประกอบด้วยเหล็ก แต่มี Mo และ V น้อย (Fe-nitrogenase)หรืออาจเรียก alternative nitrogenase (Eady et al., 1987) N2 + 8H+ + 8e- + 16Mg. ATP 2NH3 + H2 + 16Mg. ADP + 16Pi

  33. โครงสร้างของ nitrogenaseทั้ง 3 ชนิด Mo-nitrogenase V-nitrogenase ‘Alternative’ nitrogenase Fe-protein Fe-protein Fe-protein (2) MW 57-72 kDa 63 kDa 65 kDa subunit str.g2 g2 g2 Metal cont. 4Fe : 4S 4Fe : 4S 4Fe : 4S MoFe-prot. VFe-prot. Fe-prot. (1) subunit str.a2b2 a2b2 d2 a2b2 d2 a = 50 kDa a = 50 kDa a = 50 kDa b = 60 kDa b = 60 kDa b = 60 kDa d = 14 kDa d = 15 kDa

  34. โครงสร้างของnitrogenaseทั้ง 3 ชนิด (ต่อ) Mo-nitrogenase V-nitrogenase ‘Alternative’ nitrogenase Fe-protein Fe-protein Fe-protein (2) Metal cont. 2Mo : 24-32 2V : 17-21 24Fe : 18S Fe : 24-30S Fe : 18-20S Product of C2H2 reduct. C2H4 C2H4 + C2H6 C2H4 + C2H6 % electron flux to NH375 50 50 (balance to H2)

  35. Molybdenum nitrogenase # Carnahan et al (1960) สกัด Mo-nitrogenase จาก Clostridium pasteurianum # ทำให้inactiveโดย O2และความเย็น #ถ้าแยก enz.นี้ที่อุณหภูมิ 4oC จะทำให้สูญเสีย activity #Mo-nitrogenaseประกอบด้วยโปรตีน 2 ชนิด 1. Molybdenum iron proteinหรือ protein 1หรือ dinitrogenase (the larger Mo-Fe protein) 2. iron proteinหรือ protein 2หรือdinitrogenase reductase (the smaller)

  36. @Mo-Fe proteinประกอบด้วยa2b2tetramer @ มี MW ประมาณ 220 kDa (a50 kDa และb60 kDa) @ในโมเลกุล Mo-nitrogenaseประกอบด้วย molybdenum, เหล็ก และซัลเฟอร์ ในอัตราส่วน 2Mo : 24-32Fe : 30S ต่อโมเลกุล #Fe protein nitrogenase iong2dinerมี MW 57-72 kDa #ประกอบด้วยกลุ่มของFe4S4

  37. ปฏิกิริยาการคะตะไลซ์โดยปฏิกิริยาการคะตะไลซ์โดย nitrogenase 8(SO2) + 8OH- +8HSO3- N2 + 10H+ 2NH4+ + H2 16MgATP2- + 16H2O+ 16MgADP- + 16H2PO4-

  38. สรุปคุณสมบัติของเอนไซม์ไนโตรจีเนสสรุปคุณสมบัติของเอนไซม์ไนโตรจีเนส 1. ประกอบด้วยโปรตีน 2 ชนิด 2. ถูกทำลายโดย O2 ได้ง่าย 3. มี Feและ Mo เป็นส่วนประกอบของโมเลกุล 4. ต้องการ Mg ionในการทำงาน 5. ในขณะที่ทำงานจะเปลี่ยน ATPไปเป็น ADP 6. ถูกยับยั้งการทำงาน (inhibit) โดย ADP

  39. nitrogenaseที่พบในสิ่งมีชีวิตทั้งหลายจะมีคุณสมบัติ และหน้าที่เหมือนหรือคล้ายคลึงกัน nitrogenaseมีคุณสมบัติทางเคมีที่สำคัญคือ ทำปฏิกิริยา กับ O2 ได้ง่าย หลังจากถูกออกซิไดส์แล้วnitrogenaseจะเปลี่ยนเป็น สารประกอบชนิดอื่น และหมดหน้าที่ nitrogenaseทำหน้าที่สำคัญในการตรึง N2 คือช่วย reduced N2ให้เป็น NH3 สามารถ reduce สารประกอบที่มี triple bondได้เกือบ ทุกชนิด เช่น nitrogen (N N) , acetylene (HC CH)

  40. ชนิดของสารประกอบที่ถูก reducedด้วย nitrogenaseได้(Taiz and Zeiger, 1991) Substrate Products Dinitrogen (N N) NH3, H2 Azide[N N N]- N2, N2H4, NH3 Nitrous oxide (N N O) N2 Cyanide ([C N]----) CH4, NH3, CH3NH2 Alkyl cyanides (R C N) R CH2, NH3 Cynamide (N CNH2) CH4 , NH3, CH3NH2 Acetylene (HC CH) H2C CH2 Alkynes (R C CH) R HC CH2 Allene (H2C C CH2) H3C CH CH2 Proton (H+) H2

  41. ปฏิกิริยาหลายปฏิกิริยาก็สามารถถูก reduced โดย nitrogenase ได้ N2 NH3 Dinitrogen fixation N2O H2 + H2O Nitrous oxide reduction N3- N2 + NH3 Azide reduction C2H2 C2H4 Acetylene reduction 2H+ H2 H2 production ATP ADP + Pi ATP hydrolytic activity * nitrogenase ไวต่อfree O2มาก พืชหรือจุลินทรีย์ที่สามารถ ตรึงN2ได้ต้องมีกลไกปัองกันการทำลายnitrogenase ของO2

  42. กลไกการป้องกันไม่ให้nitrogenase สัมผัสกับfree O2 (Protective mechanism for nitrogenase) @ในพืชตระกูลถั่วมีสาร leghaemoglobinในปมราก มีทองแดง (Cu) เป็นองค์ประกอบทำให้มีสีชมพู มีคุณลักษณะคล้าย haemaglobinในสัตว์ @ ยังไม่ทราบหน้าที่ของ leghaemoglobin อย่างชัดเจน @leghaemoglobinทำหน้าที่นำ O2ที่อยู่ใน intercellular spaceออกไปห่างจากที่ (site) ที่มีการตรึง N2 @ ในปมรากที่ไม่มี leghaemoglobinจะไม่สามารถตรึง N2ได้ @สาหร่ายที่ตรึง N2 ได้มักมีcell wall หนา ป้องกัน O2ซึมเข้า

  43. บทบาทของ Leghaemoglobinในการตรึง N2 - ภายในปมรากถั่วมีสีแดง เนื่องจากมีี Leghaemoglobin ซึ่งปมรากที่มี Leghaemoglobin อยู่เท่านั้นที่จะตรึง N2 - Leghaemoglobinมีความสำคัญต่อการทำงานของ เอนไซม์ไนโตรจีเนส

  44. Rhizobiumจะทำหน้าที่สร้าง precursorของ heme group Leghaemoglobinทำหน้าที่จับ O2แล้ว transport O2 ไปยังส่วนต่างๆของปมเพื่อใช้ในกระบวนการหายใจ การ reduced N2ให้เป็น NH3ในปฏิกิริยาการตรึง N2ใช้ พลังงานในรูปของ ATP ถึง 15-20 โมเลกุล การตรึงไนโตรเจน 1 โมเลกุลทั้งอิเลคตรอน โปรตรอน และ ATPอาจได้มาจากปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสงหรือ จากการหายใจ

  45. แหล่งที่มาของอิเลคตรอน, โปรตอน

  46. การตรึงไนโตรเจน ( Nitrogen Fixing Reaction ) ปฏิกิริยาการตรึง N2 แบ่งเป็น 3 ขั้นตอนดังนี้ 1. ไนโตรเจนถูก reduced เป็น diimide (HN=NH) 2. Diimideถูก reduced เป็น hydrazine (H2N-NH2) 3. Hydrazineถูก reduced เป็น NH3

  47. N=N ATP Reduced ferredoxin 2e- nitrogenase diimide HN=NH 2e- nitrogenase H2N-NH2 (hydrazine) nitrogenase 2e- 2NH3 แสดงปฏิกิริยาการตรึง N2

  48. *Nitrogenase เป็นเอนไซม์ที่ไม่เฉพาะเจาะจงกับ substrate สามารถ reduce สารอื่นได้ด้วย เช่น acetylene, CO, CN และ N2O * สารเหล่านี้จะเป็น competitive inhibitorของการ reduced N2

  49. ความสัมพันธ์ของพืชตระกูลถั่วกับ Rhizobium (Legume-Rhizobium association) มีข้อดีดังนี้ 1. พืชตระกูลถั่ว สามารถตรึงไนโตรเจนได้ในปริมาณมากที่พืช จะนำไปใช้ประโยชน์ 2. ไนโตรเจนที่ตรึงได้จะถูกเปลี่ยนให้อยู่ในรูปโปรตีนที่อยู่ ในรูปของ dry seed 3. โปรตีนที่ได้มีคุณค่าทางอาหารสูง เพราะมี essential amino acidครบ แต่มี methionine, cystineและ cysteinต่ำ 4. ไนโตรเจนที่ตรึงได้บางส่วนจะเหลืออยู่ในดิน

  50. กระบวนการสร้างปมในพืชตระกูลถั่วกระบวนการสร้างปมในพืชตระกูลถั่ว (The formation of root nodule) 1. สารบางอย่างที่ขับออกมาจากรากพืชจะทำให้ Rhizobium เคลื่อนที่เข้าไปหาและแบ่งตัวรอบๆบริเวณขนราก (root hair) 2. ขนรากจะม้วนตัวงอ เนื่องจาก Rhizobium ผลิตสารพวก wall degrading enzyme 3. แบคทีเรียจะไปเกาะตรงบริเวณที่มีการม้วนงอ ก่อให้เกิดการ break downของ cell wallของขนราก แบคทีเรียเข้าไปใน เซลล์ของขนรากในรูป infection thread 4. infection thread จะห่อหุ้ม reproducing bacteriaและ จะผลิต slimeหุ้มรอบแบคทีเรีย

More Related