آمینو اسید ها و نقش آنها در متابولیسم و رشد گیاهان

استفاده از کودهاي زيستي جهت رشد بهتر محصولات زراعي يک از اهداف کشاورزي پايدار محسوب مي شود. تاثير کاربرد اسيدهاي امينه به عنوان تنظيم کننده هاي رشد در گياهان توسط پژوهشگران مختلفي مورد بررسي قرارگرفته است. اکنون مشخص شده است که گياهان قادرند از اسيدهاي آمينه به عنوان منبع نيتروژن استفاده کنند . در مناطق سرد و يا فقير از نيتروژن اسيدهاي آمينه به عنوان منبع مهمي از نيتروژن مطرح هستند. اين ترکيبات در وضعيت آزاد همچون ذرات باردار عمل ميکنند و وقتي در شرايط مناسب وارد گياه شوند وارد سلول شده و به واسطه خلوص بالا ، گياه مواد را درون خود پذيرفته و انها را در فرايندهاي متابوليکي شرکت مي دهد. نقش اسيدهاي آمينه در تامين نيتروژن گياه در مزارعي که فعاليتهاي ميکروبي آن کم است ، قابل توجه می باشد. همچنين اين ترکيبات مي توانند بعنوان تنظيم کننده هاي رشد فعاليتهاي متابوليکي گياه را تحت تاثير قرار داده و مقدار محصولات حاصل از اين فعاليتها را تغيير دهند. اسيدهاي آمينه روي جذب نيتروژن از خاک تاثير گذاشته  و باعث کاهش  و يا افزايش   آن شوند . اين ترکيبات همچنين روي فعاليت آنزيمهاي موثر در آسيميلاسيون نيتروژن در گياه تاثير گذاشته و منجر به کاهش تجمع نيترات در گياه مي شوند.

پروتئینها از مهمترین ترکیبات موجود در سلولهای گیاهی می باشند که در تمام واکنشهای اصلی اعم از ساختاری، آنزیمی، متابولیکی و انتقالی شرکت دارند. از نظر ساختمانی پروتئینها مولکولهای درشتی هستند با وزن مولکولی 5000 دالتون که از پیوند کووالانسی یک سری واحدهای ساختاری به نام اسیدهای آمینه ساخته شده‌اند. تعداد ،‌ ماهیت و طرز قرار گرفتن این واحدها در زنجیره پروتئینی ساختار خاص و رفتار ویژه آنها را تعیین می‌کند. اسیدهای آمینه که در طبیعت از چهار عنصر، کربن، اکسیژن، نیتروژن و فسفر ساخته می شوند، هر کدام دارای بیست نوع ساختار اختصاصی می باشند. گیاهان برخلاف سایر موجودات می توانند طی فرایند فتوسنتز عناصر اولیه کربن، اکسیژن، هیدروژن و نیتروژن را تبدیل به اسیدهای آمینه و نهایتا پروتئین می کنند که این پروتئینها از لحاظ ترکیب گروهی و نوع اسید آمینه با سایر موجودات متفاوت می باشد. در ساختار این مولکولها ، هم عامل آمین و هم عامل کربوکسیل وجود دارد که هر دو به کربن مرکزی به نام کربن آلفا متصل‌اند. همچنین به کربن آلفا ترکیبی به نام زنجیره کناری که با حرف R نشان داده می‌شود و یک مولکول هیدروژن متصل شده است.  اشکال مونومری ، که واحدهای ساختاری پروتئینها را می‌سازند، شامل 20 نوع اسید آمینه متفاوت است که از نظر ویژگیهای گروه R مانند اندازه ، بار الکتریکی و حلالیت و غیره تفاوت دارند. هنگامی که پروتئینها در اسید یا باز قوی جوشانده می‌شوند، اتصال بین واحدهای مونومری آنها شکسته شده و اسیدهای آمینه آزاد می‌گردند.  تعداد 20 اسید آمینه موجود در یاخته به نام اسیدهای آمینه استاندارد موسوم‌اند. برای اسیدهای آمینه استاندارد طبقه بندیهای مختلفی ارائه شده است و از بین آنها نوعی که امروزه مورد استفاده است در طبقه بندی بر حسب وضعیت بارداری گروه R می باشد. بدین ترتیب چهار گروه اصلی را می‌توان در نظر گرفت.

نقش اسیدهای آمینه در گیاهان:

میزان محصول در گیاهان مختلف بسته به مقدار و کیفیت اسیدهای آمینه موجود در گیاهان دارد. اسیدهای آمینه پس از ورود به سلولهای گیاهی به دلیل خلوص بالا به راحتی توسط گیاه جذب می شوند. این امر باعث می شود انرژی گیاه برای مقابله با تنشهای محیطی ذخیره گردد. بطور کلی قسمت زیادی از جذب اسیدهای آمینه در گیاهان از طریق روزنه صورت می گیرد و پس از مدت کوتاهی به قسمتهای مورد نیاز هدایت می شود. زمان محلول پاشی اسیدهای آمینه پیش از طلوع یا پس از غروب آفتاب می باشد که در این زمان روزنه های گیاهی باز بوده و باعث افزایش میزان جذب می شود.  آمینو اسیدها، به طور کلی، علاوه بر شرکت در ساختار پروتئین ها، نقش های منحصر به فرد دیگری نیز در گیاه ایفا می نماید که برخی از آنها عبارتند از:

تقویت سیستم ایمنی گیاهان از طریق افزایش تولید لیگنین و تقویت دیواره سلولی

افزایش کیفیت و کمیت محصولات زراعی و باغی از طریق افزایش فرایند تشکیل قند و پروتئین

افزایش فرایند گرده افشانی از طریق فعال سازی هورمونها

افزایش جوانه‌، شکوفه و بزرگ شدن میوه

افزایش سرعت رسیدگی محصول با افزایش تولید اتیلن

افزایش مدت ماندگاری محصول پس از برداشت

افزایش میزان کلروفیل و سبزینه گیاهان

افزایش فعالیت میکروارگانیسم های مفید خاک

تسهیل تعریق و تعرق گیاهی و تقویت سیستم ریشه

ایجاد مقاومت دربرابر تنش ها و شرایط نامناسب اقلیمی مانند خشکی، سرمازدگی، شوری، دمای بالا، رطوبت پایین، حمله آفات

تاثیر بر روزنه ها: روزنه های گیاهان در تبادل رطوبت، گازها و جذب عناصر ماکرو و میکرو، دارای نقش فعالی می باشند. باز شدن روزنه ها به کمک عوامل خارجی مانند نور، رطوبت، دما، شوری تحت کنترل عوامل داخلی یعنی آمینو اسید آبسزیک، کنترل می شود.

افزایش میزان جذب عناصر: آمینواسیدها، به علت ساختمان شیمیایی خاصی که دارند عناصر غذائی موجود در خاک از جمله آهن را بصورت کلات درآورده و باعث جذب بهتر این عناصر توسط گیاهان می گردند.

میزان مصرف بسته به کاتالوگ شرکت سازنده کود مایع حاوی اسید آمینه می باشد ولی معمولا محلولپاشی برگی به نسبت 1 تا 2 در1000 (تکرار بفاصله   حداقل دو هفته) نتیجه خوبی را به بار می آورد. این مقدار می تواند به 2-3 مرحله در طول دوره تقسیم شود . اولین زمان مصرف بهتر است در اواخر زمستان هنگامی که شکوفه دهی آغاز میشود انجام گیرد. کودهای حاوی اسید آمینه بالای 20 درصد در صورت تکرار محلول پاشی اثرات بسیار شگرفی بر روی میزان محصول دارند.

نقش برخی از اسیدهای آمینه در گیاهان:

گليسين Glycine(GLY)

این اسید آمینه باعث القا تشكيل بافتهای گياهي و سنتز كلروفيل می شود. همچنین این ماده دارای قدرت بالای کلات کنندگی عناصر غذائی می باشد.

والين Valine(Val) ، آلانین Alanine(Ala) ، لوسین Leucine(Lea) و ایزولوسین Isoleucine(Ile) :

بطور قابل ملاحظه ای باعث افزایش کیفیت محصولات کشاورزی می شوند.

سیستئین Cysteine(Cys)

این ماده نقش بسيار مهمي در ساختمان فضايي پروتئين ها برعهده دارد و باعث پایداری آنها می شود.

متیونین Methionine(Met) :

متیونین فرایند گرده افشانی را در گیاهان القا می نماید. همچنین این ماده باعث ایجادتعادل بین مواد ارگانیک خاک شده و در تشکیل هورمون اتیلن نیز نقش دارد.

اسید آسپارتیک Aspartic acid(Asp) و اسید گلوتامیک Glutamic acid(Glu) :

اين دو اسید آمینه القا كننده تشكيل بافتهای گياهي و سنتز كلروفيل، فرايند گرده افشاني و بهبود كيفيت

رويش گیاهان مي باشند. اسيد گلوتاميک دارای ويژگی کلات کنندگی عناصر ريز مغذی بوده و جذب و انتقال عناصر ريز مغذی به گياه را آسان تر می سازد

ليزين Lysine(Lys) :

باعث القاء فرايند گرده افشاني می شود.

آرژنين Arginine(Arg) :

به عنوان یک پیش ماده در سنتز هورمونهاي مؤثر در تشكيل گل و ميوه نقش دارد.

تریپتوفان Thryptophan(Trp):

پیش ماده سنتز هورمون اکسین می باشد.

هيستيدين Histidine(His) :

این اسيدآمينه در تسريع فرايند تشكيل و رسيدگي محصول نقش دارد.

پرولين Proline(Pro) :

این ماده باعث تقویت دیواره سلولی شده و نقش فعالی در بارور و جوانه زنی گرده و افزایش مقاومت گیاهان در برابر تنشهای خشکی دارد.

طبقه بندی اسیدهای آمینه استاندارد

گروه اول: اسیدهای آمینه با گروه R ناقطبی

در این دسته 8 اسید آمینه قرار می‌گیرند. این اسید آمینه به علت نداشتن گروههای باردار یا قطبی بسیار آب گریز بوده و به آب گریزی نیز معروف‌اند. آلانین سر دسته این گروه بوده و پس از گلیسین ساده‌ترین اسید آمینه یاخته‌ای است. آلانین در بخش R خود یک گروه متیل دارد. با افزوده شدن عوامل متیل اضافی به آلانین ، اسیدهای آمینه دیگر مانند والین ، لوسین و ایزولوسین ساخته می‌شوند. زنجیره کناری می‌تواند ساده یا منشعب باشد. میزان آب گریزی از آلانین به طرف ایزولوسین افزایش می‌یابد. اسیدهای آمینه تریپتوفان و فنیل آلانین در زنجیره کناری خود عامل حلقوی مانند فنیل و ایندول دارند. اسید آمینه متیونین در گروه R واجد یک عامل گوگردی است که بوسیله یک گروه متیل پوشیده می‌شود. پرولین از اسیدهای آمینه ویژه‌ای است که چون در آن عامل آمین متصل به کربن آلفا با زنجیره کناری به صورت حلقه درآمده است از بقیه اسیدهای آمینه مستثنی می‌شود، در نتیجه پرولین را ایمنو اسید می‌نامند.

گروه دوم: اسیدهای آمینه با گروه R قطبی ولی بدون بار

سر دسته این گروه از اسیدهای آمینه گلیسین است که به علت داشتن زنجیره کناری ساده از نوع هیدروژن متقارن بودن کربن آلفا ، از سایر اسیدهای آمینه متمایز می‌شود. سرین و ترئونین به علت داشتن گروه الکلی در مولکول با مولکولهای آب پیوند هیدروژنی ایجاد می‌کنند و به آسانی در آن حل می‌شوند. تیروزین واجد زنجیره کناری حلقوی است که یک عامل هیدروکسیل به آن متصل شده است و بدین سبب بیش از بقیه قطبی است. زنجیره کناری سیستئین به عامل (SH) ختم می‌شود. این اسید آمینه می‌تواند به دو شکل اکسید و یا احیا در مولکول پروتئین دیده شود .اگر عامل گوگرد احیا شده باشد این مولکول سیستئین نامیده می‌شود در صورتی که دو مولکول سیستئین در مجاورت هم قرار گیرند بین آنها پیوند کووالانسی ایجاد می‌گردد. بدین ترتیب ، پیوندهای حاصل پیوند دی‌سولفید و ترکیب مربوطه سیستین نامیده می‌شود. پیوندهای دی‌سولفید در ایجاد و پایداری ساختار سوم پروتئینها نقش اساسی دارد. دو اسید آمینه آسپاراژین و گلوتامین که شکل آمین در آنها به ترتیب اسیدهای اسید آسپارتیک و اسید گلوتامیک هستند، حد واسط بین گروه دوم و سوم به شمار می‌روند این دو اسیدآمینه در آب محلول و بسیار قطبی هستند.

گروه سوم: اسیدهای آمینه با گروه R قطبی و بار منفی

در این گروه دو اسید آمینه اسید گلوتامیک و اسید آسپارتیک قرار دارند زنجیره کناری این دو اسید آمینه به عامل کربوکسیل (COOH) ختم می‌شود. گروه R بسیار قطبی و قابل یونی شدن است بطوری که در PH فیزیولوژیک ، با از دست دادن پروتون ، به آنیون کربوکسیل تبدیل می‌گردد. در این حالت ، اسید آمینه به ترتیب اسید گلوتامیک و اسید آسپارتیک نامیده می‌شوند.

گروه چهارم: اسیدهای آمینه با گروه R قطبی دارای بار مثبت

اسید آمینه لیزین ، آرژینین و هیستیدین در این دسته جای دارند. زنجیره کناری آنها واجد گروه آمین است که در PH خنثی دارای بار خالص مثبت است. لیزین یک عامل آمین در موقعیت کربن شماره 4 زنجیره کناری دارد، آرژینین شامل یک گروه گوآنیدیوم است و هیستیدین گروه یونی شونده ضعیف ایمیدازول دارد. وجود این اسیدهای آمینه در زنجیره پروتئینی تعداد بارهای مثبت روی مولکول را افزایش داده و پروتئین خاصیت قلیایی از خود نشان می‌دهد.

اسیدهای آمینه کمیاب

علاوه بر 20 اسید آمینه ، در برخی از پروتئینها اسیدهای آمینه تغییر شیمیایی یاخته‌ای وجود دارد که از نظر ساختار و فعالیت پروتئینها بسیار مهم‌اند. از مهمترین این تغییرات می‌توان اضافه شدن گروه هیدروکسی به اسید آمینه پرولین (هیدروکسی پرولین) و یا لیزین (هیدروکسی لیزین) ، انواع اسیدهای آمینه استیل‌دار و فسفریل‌دار را نام برد. هیدروکسی پرولین حدود 12% ساختار کلاژن را که یکی از پروتئینهای مهم جانوری است تشکیل می‌دهد همچنین این اسید آمینه در ساختار برخی از پروتئینهای دیواره یاخته‌ای گیاهان وجود دارد که اکستانسین نامیده می‌شود. هیدروکسی لیزین نیز در ساختار کلاژن وجود دارد به همین دلیل کلاژن یکی از پروتئینهای استثنایی در جانوران بشمار می‌آید.

اسیدهای آمینه غیر پروتئینی

افزون بر بیست اسید آمینه اصلی و اسیدهای آمینه کمیاب ، که اساسا در ساختار پپتیدها و پروتئینها وارد می‌شوند، در یاخته‌های بافتهای مختلف اسیدهای آمینه‌ای وجود دارند که در ساختار پروتئینها یافت نمی‌شوند بلکه به صورت آزاد در فرآیندهای متابولیسمی وارد می‌شوند. از مهمترین این اسیدهای آمینه می‌توان از بتا- آلانین که پیش ساز ویتامین اسید پانتوتنیک است، سیترولین و اورنتین ، که ترکیبات حد واسط در سنتز آرژنین در چرخه اوره هستند نام برد. در یاخته قارچها و گیاهان عالی نیز اسیدهای آمینه غیر عادی ، مانند بتا- سیانوآلانین وجود دارد.

ساختار اسیدهای آمینه

هر اسید آمینه ، از یک کربن نامتقارن به نام کربن آلفا تشکیل یافته است که با چهار گروه مختلف کربوکسیل (COOH) اتم هیدروژن ، گروه آمینه بازی (NH2) و یک زنجیره غیر جانبی (R-) پیوند برقرار می‌کند. ریشه R ممکن است یک زنجیره کربنی و یا یک حلقه کربنی باشد. عوامل دیگری مانند الکل ، آمین ، کربوکسیل و نیز گوگرد می‌توانند در ساختمان ریشه R شرکت کنند. زنجیره جانبی خود چندین اتم کربن دارد و آنها را به ترتیبی که از کربن آلفا ، فاصله می‌گیرند، با حروف بتا (β) ، گاما (γ)دلتا(δ) نشان میدهند.

اگر در حالی که عامل COOH روی کربن آلفا قرار داد عامل NH2 روی کربنهایی غیر آلفا قرار گیرد. نوع اسید آمینه به β ، γ یا δ تغییر خواهد کرد. اسیدهای آمینه آزاد به مقدار بسیار ناچیز در سلولها وجود دارند. بیشتر اسیدهای آمینه آلفا در سنتز پروتئین شرکت می‌کنند، در صورتی که اسیدهای آمینه بتا ، گاما و دلتا واسطه‌های شیمیایی هستند. بیشتر اسیدهای آمینه در PH هفت به صورت دو قطبی در می‌آیند یعنی گروه NH2 پروتون می‌گیرد و گروه COOH هیدروژن خود را از دست می‌دهد و به صورت –COO- در می‌آید.