Assimilation von Nitrat und Sulfat
Wie Pflanzen Nitrat und Sulfat zu Ammonium und Sulfid reduzieren, wo das in der Zelle geschieht und warum die Lichtreaktion dafür die Energie liefert.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Nitrat- und Sulfatassimilation ist die Reduktion der aufgenommenen Anionen \(\ce{NO3-}\) und \(\ce{SO4^2-}\) zu \(\ce{NH4+}\) bzw. Sulfid und deren Einbau in Aminosäuren.
- Die Nitratreduktase reduziert im Cytosol mit NADH Nitrat zu Nitrit, die Nitritreduktase im Chloroplasten mit Ferredoxin Nitrit zu Ammonium.
- In grünen Pflanzenteilen laufen Nitritreduktion, Glutaminbildung, Sulfatreduktion und Cysteinbildung lichtabhängig im Chloroplasten ab, angetrieben von ATP, NADPH und Ferredoxin.
- Sulfat wird mit ATP zu APS aktiviert, daraus entsteht PAPS, der Sulfatdonor für Sulfatierungen.
- Biologischer Schwefel liegt als Sulfat (+VI) oder Sulfid (−II) vor; Sulfid bildet mit O-Acetylserin Cystein.
- Schwefel ist ein Makronährelement, Kupfer, Mangan, Molybdän, Zink und Bor sind Mikronährelemente.
Worum es geht
Pflanzen nehmen Stickstoff und Schwefel als Nitrat und Sulfat auf, bauen beide aber in reduzierter Form in Aminosäuren ein. Die nötigen Reduktionen gehören zum Primärstoffwechsel der Photoautotrophen und hängen eng an der Lichtreaktion. Für die Pharmazie ist zusätzlich PAPS wichtig, das auch im Menschen Arzneistoffe wie Paracetamol sulfatiert.
Nährelemente der Pflanze
Pflanzen brauchen neben C, H und O eine Reihe mineralischer Elemente. Makronährelemente benötigen sie in großen Mengen. Dazu zählen Stickstoff, Phosphor, Kalium, Calcium, Magnesium und Schwefel. Schwefel ist also kein Spurenelement, denn er steckt in praktisch jedem Protein.
Mikronährelemente, auch Spurenelemente genannt, genügen in kleinsten Mengen. Sie sind aber ebenso essenziell. Beispiele sind Kupfer, Mangan, Molybdän, Zink und Bor. Molybdän begegnet dir gleich wieder als Cofaktor der Nitratreduktase.
Stickstoff und Schwefel kommen meist als Anionen in die Pflanze: als Nitrat (\(\ce{NO3-}\)) und Sulfat (\(\ce{SO4^2-}\)). In beiden ist das Element hoch oxidiert. In Aminosäuren liegt es dagegen reduziert vor. Die Assimilation besteht deshalb im Kern aus Reduktionen, und diese kosten Elektronen und Energie.
Nitratassimilation
Die Reduktion von Nitrat verläuft in zwei Schritten. Den ersten katalysiert die Nitratreduktase. Das molybdänhaltige Enzym sitzt im Cytosol und überträgt zwei Elektronen von NADH auf Nitrat. Produkt ist Nitrit, noch nicht Ammonium. Mitochondrien sind an diesem Schritt nicht beteiligt.
\[\ce{NO3- + NADH + H+ -> NO2- + NAD+ + H2O}\]
Nitrit ist giftig und gelangt rasch in den Chloroplasten. Dort reduziert die Nitritreduktase es mit sechs Elektronen zu Ammonium. Die Elektronen stammen von reduziertem Ferredoxin. Der Stickstoff wandert dabei von der Oxidationsstufe +III auf −III.
\[\ce{NO2- + 6 e- + 8 H+ -> NH4+ + 2 H2O}\]
Beide Enzyme setzen gebundenen, oxidierten Stickstoff um. Molekularen Stickstoff (\(\ce{N2}\)) reduziert allein die Nitrogenase bestimmter Prokaryonten, beschrieben unter Stickstofffixierung. Auch mit der Desaminierung von Phenylalanin hat die Nitratreduktase nichts zu tun. Das übernimmt die Phenylalanin-Ammoniak-Lyase im Phenylpropanoidstoffwechsel.
Kopplung an den Chloroplasten
Im Blatt hängt fast die gesamte Assimilation an der Lichtreaktion. Sie liefert ATP und Reduktionsäquivalente, also NADPH und reduziertes Ferredoxin. Der Calvin-Zyklus nutzt sie zur Fixierung von \(\ce{CO2}\). Dieselben Produkte treiben aber auch die Reduktion von Nitrit und Sulfat an. Man kann sich die Thylakoide wie ein gemeinsames Kraftwerk für die Assimilation von Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel vorstellen.
Ferredoxin wird direkt am Photosystem I reduziert, wie unter photosynthetischer Elektronentransport erklärt. Nitritreduktase und Sulfitreduktase zapfen es unmittelbar an. Deshalb laufen beide Reduktionen lichtabhängig ab und sind direkt an den Elektronentransport gekoppelt.
Das entstandene Ammonium bleibt nicht frei. Die Glutaminsynthetase bindet es im Chloroplasten unter ATP-Verbrauch an Glutamat:
\[\text{Glutamat} + \ce{NH4+} + \text{ATP} \longrightarrow \text{Glutamin} + \text{ADP} + \ce{P_i}\]
Glutamin verteilt den Stickstoff anschließend auf andere Aminosäuren, etwa über die Transaminierung. Parallel reduziert derselbe Chloroplast Sulfat bis zum Sulfid und baut es in Cystein ein.
Wird im Examen gerne gefragt: In grünen Pflanzenteilen laufen Nitritreduktion, Glutaminbildung, Reduktion von Sulfat (+VI) zu Sulfid (−II) und Cysteinbildung lichtabhängig im Chloroplasten ab. Achte auf die eine Ausnahme: Nitrat → Nitrit geschieht im Cytosol, nicht in Mitochondrien.
Sulfatassimilation
Sulfat ist chemisch sehr stabil und lässt sich direkt kaum reduzieren. Die Zelle aktiviert es deshalb zuerst mit ATP. Die ATP-Sulfurylase bildet APS (Adenosin-5’-phosphosulfat):
\[\ce{SO4^2- + ATP -> APS + PP_i}\]
Im APS hängt das Sulfat über ein energiereiches gemischtes Anhydrid am Phosphat. Eine Kinase kann zusätzlich ein Phosphat an C-3’ anhängen. So entsteht PAPS (3’-Phosphoadenosin-5’-phosphosulfat).
Ab hier trennen sich zwei Wege. PAPS ist der Sulfatdonor für Sulfatierungen. Sulfotransferasen übertragen damit die Sulfatgruppe auf Hydroxygruppen. Das geschieht in Pflanzen ebenso wie in der menschlichen Leber, wo zum Beispiel Paracetamol als Sulfat konjugiert wird. Der Schwefel bleibt dabei auf der Stufe +VI.
Reduktion von Sulfat über APS und Sulfit zu Sulfid, um den Schwefel in Cystein einzubauen. Anders als bei der dissimilatorischen Sulfatreduktion mancher Bakterien dient das Sulfid dem Aufbau von Biomasse und wird nicht ausgeschieden.
Auf dem reduktiven Weg entsteht aus APS zunächst Sulfit (+IV). Die zwei Elektronen liefert Glutathion. Die Sulfitreduktase überträgt dann sechs Elektronen von Ferredoxin und bildet Sulfid (−II).
\[\ce{SO3^2- + 6 e- + 8 H+ -> H2S + 3 H2O}\]
Beide Schwefelformen kann die Zelle in organische Verbindungen einbauen.
Biologischer Schwefel liegt auf genau zwei Stufen vor: als Sulfat (+VI) in Sulfatestern, als Sulfid (−II) in Cystein, Methionin und Glutathion.
Das Sulfid fängt die O-Acetylserin(thiol)-Lyase ein und bildet Cystein. Das Kohlenstoffgerüst stammt aus Serin, das vorher zu O-Acetylserin aktiviert wurde. Sulfid wird also nicht an die Methylgruppe von Alanin geknüpft.
\[\text{O-Acetylserin} + \ce{H2S} \longrightarrow \text{Cystein} + \text{Acetat}\]
Aus Cystein stammt auch der Schwefel des Methionins, der zweiten schwefelhaltigen proteinogenen Aminosäure.
Quiz
Aussage 1
Die Nitratreduktase setzt Nitrat in einem Schritt direkt zu \(\ce{NH4+}\) um.
Die Nitratreduktase liefert nur Nitrit (zwei Elektronen). Erst die Nitritreduktase reduziert Nitrit mit sechs Elektronen zu \(\ce{NH4+}\).
Aussage 2
Bei der Cysteinsynthese wird Sulfid an die Methylgruppe von Alanin gebunden.
Sulfid reagiert mit O-Acetylserin zu Cystein und Acetat. Das Kohlenstoffgerüst stammt aus Serin.
Aussage 3
PAPS dient als Sulfatdonor, wenn Sulfotransferasen Hydroxygruppen sulfatieren.
PAPS (3’-Phosphoadenosin-5’-phosphosulfat) überträgt die Sulfatgruppe, etwa bei der Sulfatkonjugation von Paracetamol.
Aussage 4
In grünen Pflanzenteilen wird Glutamin aus Glutamat und Ammonium lichtabhängig im Chloroplasten gebildet.
Die Glutaminsynthetase bindet das von der Nitritreduktase gebildete Ammonium im Chloroplasten und nutzt dabei ATP aus der Lichtreaktion.
Aussage 5
Molybdän ist für Pflanzen ein essenzielles Mikronährelement und Cofaktor der Nitratreduktase.
Molybdän wird nur in Spuren gebraucht, ist aber unentbehrlich, unter anderem für die Nitratreduktase.
Aussage 6
In Blattzellen findet die Reduktion von Nitrat zu Nitrit in den Mitochondrien statt.
Die Nitratreduktase arbeitet im Cytosol mit NADH, nicht in Mitochondrien.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.