01402461 Plant Biochemistry

1. 1 01402461Plant Biochemistry ชีวเคมีของพืช ภาคปลาย 2555

2. 2 Textbook • Florence K. Gleason 2012 ร้าน PBFORBOOK เล่มละ 950 บาท

3. 3 Website • ชีวเคมี กำแพงแสน biochem.flas.kps.ku.ac.th

4. 4 5 พ.ย. 55 • แนะนำรายวิชา

5. 5 12 พ.ย. 55 • Primary Cell Walls ผนังเซลล์ปฐมภูมิ • ผนังเซลล์เป็นลักษณะสำคัญของเซลล์พืช • ค้ำจุนสร้างความแข็งแรงให้เนื้อเยื่อ ท่อลำเลียง • ป้องกันการรุกรานของเชื้อโรค สัตว์กินพืช • สร้างจากสารที่ได้ในกระบวนการสังเคราะห์แสง • องค์ประกอบหลักเป็นเซลลูโลส

6. 6 เซลลูโลส • เซลลูโลส คือ กลูโคสที่มาเชื่อมต่อกันด้วยพันธะ β-1,4 • สายเซลลูโลสประกอบกันเป็นเส้นใยย่อย fibril • ไฟบริล ฝังอยู่ใน matrix ของเฮมิเซลลูโลสกับเพคติน • พันธะไฮโดรเจนและพันธะไอออนิก ช่วยรักษาความแข็งแรงของผนังเซลล์

7. 7 การสังเคราะห์เซลลูโลส • อาศัยเอนไซม์ cellulose synthase • ใช้ UDP-glucoseเป็น substrate • การสร้าง UDP-glucose ใช้ปฏิกิริยา 2 ชนิด คือsucrose synthaseและUDP-glucose pyrophosphorylase • นอกจากนี้เอนไซม์ invertase ก็ใช้สร้างกลูโคสได้ด้วย • Cellulose synthase สร้างมาจากยีน cesA

8. 8 • Cellulose synthase ทำหน้าที่ขนส่งกลูโคสไปต่อกับปลายโมเลกุลของเซลลูโลสที่มีอยู่แล้ว • เอนไซม์ฝังตัวอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ • การทำเอนไซม์ให้บริสุทธิ์ทำได้ยากเพราะไม่ค่อยละลายน้ำและมีโมเลกุลใหญ่ • ส่วนใหญ่จะศึกษากันในแบคทีเรีย เช่น Bacillusและ Acetobacter • เอนไซม์ประกอบด้วย กรดอะมิโนราว 1,100 หน่วย

9. 9 Callose • แคลโลส • กลูโคสมาต่อกันด้วยพันธะ β-1,3 และมีกิ่งด้วย • ใช้เอนไซม์ที่สร้างจากยีน calS • พืชสร้างแคลโลสจากความเครียดและรอยแผล

10. 10 Wall Matrix • ประกอบด้วย sugar polymers • สังเคราะห์โดยใช้เอนไซม์ glycosyltransferase ที่อยู่ในเมมเบรนของ ER หรือ Golgi apparatus • Matrix ประกอบด้วยสาร 2 กลุ่มคือ hemicelluloseกับ pectin

11. 11 Hemicellulose • แยกออกมาจากผนังเซลล์ได้โดยใช้เบสแก่ • ประกอบด้วย xyloglucan กับ xylan • สร้างพันธะไฮโดรเจนกับไฟบริลได้ • ช่วยให้ไฟบริลยืดหยุ่นมากขึ้น ไม่จับกันแน่น

12. 12 Pectin • แยกออกมาจากผนังเซลล์ได้โดยใช้ EDTA • ประกอบด้วย กรด galacturonic • มี 4 ชนิด • Homogalacturonan • Rhamnogalacturonan I • Rhamnogalacturonan II • Xylogalacturonans & apiogalacturonan

13. 13 Pectin • หน้าที่ของ pectin • เพิ่มความแข็งแรงของผนังเซลล์ • ควบคุมความพรุน (porosity) ของผนังเซลล์ • ควบคุมการผ่านเข้าออกของน้ำและสารโมเลกุลเล็ก • เชื่อมเซลล์เข้าด้วยกัน

14. 14 Protein • เอนไซม์ • Kor (endo-1,4-β-glucanase) ทำให้ผนังเซลล์หลวมขึ้น • Peroxidase สร้าง cross-links ระหว่างคาร์โบไฮเดรตกับโปรตีนโครงสร้าง ทำให้ผนังเซลล์แข็งแรงขึ้น • Wall kinase ทำหน้าที่เกี่ยวกับ signal transduction เมื่อถูกเชื้อโรครุกราน

15. 15 Protein • โปรตีนโครงสร้าง • Extensins สร้าง cross-link กับโปรตีนอื่น ๆ ของผนังเซลล์ เป็นด่านป้องกันเชื้อโรค • Expansins จับกับไฟบริล ทำให้ไม่เกิดพันธะ noncovalent ใน matrix ช่วยให้ผนังเซลล์หลวมขึ้น

16. 16 12 พ.ย. 55 (ต่อ) • การสังเคราะห์แสง (light reaction) • สิ่งมีชีวิตกำเนิดขึ้นมา 3.5-3.0 พันล้านปีมาแล้ว • ออกซิเจนทำให้เกิดโอโซน ป้องกันรังสี UV • สิ่งมีชีวิตพวกแรก ๆ ใช้ H2S แทน H2O เป็นตัวให้อิเล็กตรอน ได้ผลิตภัณฑ์เป็นกำมะถัน • การทดลองของ Ruben กับ Kamen โดยใช้ 18O พิสูจน์ว่า O2มาจากน้ำ

17. 17 Photosynthetic Pigments • Chlorophyll a • ประกอบด้วย tetrapyrrole ring มี Mg เป็นอะตอมกลาง • มี phytol side-chain ซึ่งเป็นส่วน hydrophobic ทำให้คลอโรฟิลล์ไม่ค่อยละลายน้ำ

18. 18 Photosynthetic Pigments • Chlorophyll b • พบมากใน angiosperms มีหมู่ aldehyde แทนหมู่ methyl • ช่วยเสริมการดูดแสงกับ chlorophyll a ทำให้มีช่วงที่ดูดแสงได้กว้างขึ้น (แต่ก็ยังดูดช่วงสีเขียวไม่ได้)

19. 19 Accessory Pigments • Lycopene และ β-carotene • เป็นพวก carotenoids ประกอบด้วย 40-C • ดูดกลืนแสงในช่วงสีม่วงน้ำเงิน • ช่วยเสริมการดูดกลืนแสงและป้องกันองค์ประกอบสังเคราะห์แสงจากการทำลายของรังสีที่มากเกินไป (ป้องกัน photo-oxidative damage)

20. 20 Origin of the Z-Scheme • Emerson Enhancement • พิสูจน์ว่า มี Photosystem 2 ชุด เสริมการทำงานกัน เพราะเมื่อฉายแสงในช่วงความยาวคลื่น 2 ความยาวคลื่น คือ 680 และ 700 nm พร้อมกัน จะทำให้อัตราการสังเคราะห์แสงสูงกว่าผลรวมของอัตราที่เกิดจากการฉายแสงทีละความยาวคลื่นมาก

21. 21 Photosynthesis inhibitors • Paraquat • ยับยั้งการขนส่งอิเล็กตรอนจาก PSI โดยรับอิเล็กตรอนจาก PSI และยับยั้งการรีดิวซ์ ferredoxin กับ NADP • นอกจากนี้ยังขนส่งอิเล็กตรอนไปยังออกซิเจน ทำให้เกิด superoxide และ hydroxyl radicals ทำลายเมมเบรน

22. 22 19 พ.ย. 55 • Carbon Dioxide Fixation • กระบวนการสังเคราะห์แสงประกอบด้วย ปฏิกิริยา redox 2 ปฏิกิริยา คือ light reactionกับ dark reaction • Light reaction เปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานเคมี ในรูปของ NADPH และ ATP • Dark reaction เป็นการรีดิวซ์ CO2เป็นคาร์โบไฮเดรต โดยใช้พลังงานใน NADPH และ ATP

23. 23 • การศึกษากระบวนการตรึง CO2ทำได้ยาก เพราะองค์ประกอบที่ละลายน้ำได้จะสูญหายไปถ้า Outer membrane เสียหาย • ส่วนมากงานวิจัยจะศึกษาในสาหร่ายเซลล์เดียว เช่น Chlorella sp. • M.Calvin, A. Benson, J. Bassham และทีมงานศึกษาโดยใช้ 14C พบว่าสารตัวแรกของกระบวนการ fixation คือ สารประกอบ 3 C “glyceric acid-3-phosphate”

24. 24 • C-3 pathway มักจะเรียกว่า dark reaction เพราะไม่มีแสงเข้ามาเกี่ยวข้องโดยตรง • แต่ถ้าไม่มีแสง ก็จะมี NADPH กับ ATP ไม่เพียงพอสำหรับการตรึง CO2 • นอกจากนี้เอนไซม์ใน C-3 pathway ยังต้องการการกระตุ้นด้วยแสง และถ้าอยู่ในที่มืดสนิทจะทำงานได้ช้า • ดังนั้นการเรียกว่า dark reaction ทำให้เข้าใจผิด

25. 25 C-3 cycle • C-3 cycle แบ่งออกเป็น 3 กระบวนการ • การเกิด carboxylation ของ ribulose-bis-phosphate (RuBP) ได้ 2 โมเลกุลของ glyceric acid-3-phosphate • การ reduction ของ glyceric acid-3-phosphate เป็น glyceraldehyde-3-phosphate (GAP) • การเกิด metabolism ของ GAP ต่อไป และกลับมาเป็น RuBP อีกครั้ง

26. 26 Carboxylation • Rubisco • คือเอนไซม์ ribulose bisphosphate carboxylase ซึ่งจัดเป็นโปรตีนที่มีมากที่สุดในโลก • ประกอบด้วย L กับ S subunits • ยีนสำหรับ L อยู่ใน chloroplast genome ส่วน S อยู่ใน nuclear genome • มีการโคลนเข้าไปใน E.coliแต่ไม่ค่อยทำงาน

27. 27 Structure of Rubisco • Structure of Rubisco • มีการศึกษาใน purple nonsulfur bacteria พบว่าประกอบด้วย L 2 subunits • ส่วนการศึกษาในพืช เช่น ผักปวยเล้ง (spinach) พบว่าเป็นแบบ L8S8 • กระบวนการ photorespiration เกิดขึ้นจาก Rubisco ไปจับกับ O2 ได้ด้วย ทำให้เกิดความสูญเสีย ลดประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสง

28. 28 Structure of Rubisco • Specificity Factor of Rubisco • Relative specificity factor หมายถึงสัดส่วนของประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยาของ Rubisco ในการทำหน้าที่เป็น carboxylase เทียบกับการทำหน้าที่เป็น oxygenase

29. 29 CO2 Concentrating Mechanisms • C-4 Pathway • H. Hatch และ R. Slack ได้ทดลองในอ้อย พบว่าสารตัวแรกที่ติดฉลากด้วย 14C ที่เป็นผลิตภัณฑ์ในกระบวนการสังเคราะห์แสง มี 4 คาร์บอน แทนที่จะเป็น 3 คาร์บอน • พืช C4 ส่วนมากเป็นพวก monocots เช่นพวกหญ้า อ้อย ข้าวโพด

30. 30 CO2 Concentrating Mechanisms • พืช C4 ไม่ค่อยมี chloroplast บริเวณ mesophyll cells • มี Kranz anatomy มองเห็นคล้ายพวงหรีดบริเวณ bundle sheath cells • ปัจจุบันมีความพยายามเปลี่ยนข้าวให้เป็นพืช C4 (อ่านเพิ่มเติมได้ใน Wikipedia)http://en.wikipedia.org/wiki/C4_carbon_fixation

31. 31 26 พ.ย.55บทที่ 3 • บทที่ 3 การสะสมและการใช้ประโยชน์จากสารประกอบคาร์บอน • Light reaction ใช้พลังงานแสงอาทิตย์เปลี่ยนเป็นพลังงานเคมีในรูปของ ATP และ reduced cofactor • C-3 cycle ใช้พลังงานนี้ในการตรึง CO2ในบรรยากาศ ให้อยู่ในรูปของน้ำตาล

32. 32 • น้ำตาลที่ได้ นำไปใช้เป็นตัวกลางในการสังเคราะห์สารอื่น ๆ ต่อไป โดยอยู่ภายในส่วน stroma ของคลอโรพลาสต์ • คาร์บอนที่มากเกินพอ ก็นำมาสังเคราะห์เป็นแป้งและเก็บสะสมไว้ในพลาสติด และนำออกมาใช้ประโยชน์ได้ • สารตัวกลางใน C-3 cycle ยังส่งออกไปสังเคราะห์น้ำตาลซูโครสในไซโตพลาซึม

33. 33 แป้ง (starch) • เป็นโพลิเมอร์ของกลูโคส อยู่ภายในพลาสติด • ประกอบด้วย amylose กับ amylopectin • แป้งมีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็น amylopectin • การสังเคราะห์แป้งเกิดขึ้นในใบ ในส่วน stroma ของคลอโรพลาสต์ • สารตั้งต้นคือ F6P • ดูโครงสร้างของแป้งในภาพ 3.10

34. 34 การสังเคราะห์ซูโครส • เกิดขึ้นในไซโทพลาซึม • ซูโครส เป็นน้ำตาลที่ใช้ขนส่งในพืชมากที่สุด • จัดเป็นน้ำตาลที่เฉื่อย และไม่ใช่น้ำตาลรีดิวซ์ • ถูกย่อยด้วย invertase กลับเป็น Glc และ Fru • ดู pathway การสังเคราะห์น้ำตาลซูโครสในภาพที่ 3.12

35. 35 17 ธ.ค. 55 บทที่ 5 • บทที่ 5 N & S Metabolism • สารอนินทรีย์ที่พืชต้องการแบ่งออกเป็น macronutrient กับ micronutrient • Macronutrient: N P K S • Micronutrient: Cl B Fe etc. • สารที่มี N เป็นองค์ประกอบ เช่น กรดอะมิโน กรดนิวคลีอิก และโคแฟกเตอร์ต่าง ๆ เช่น NADP biotin

36. 36 Nitrate Assimilation • Nitrate (NO3-) ละลายน้ำได้ดี และพืชนำไปใช้ได้ โดยเฉพาะในดินที่เป็นด่าง • Ammonia (NH4+) มักจะจับกับอนุภาคดินที่เป็นประจุลบ ทำให้นำไปใช้ได้ไม่ค่อยดี • การขนส่งไนเตรท ใช้วิธี active transport โดยมีโปรตีนสำหรับขนส่ง คือ HAT และ LAT • การขนส่งแอมโมเนียจากราก สามารถเก็บไว้ใน vacuole ได้ แต่ไม่ขนส่งไปที่ใบ

37. 37 Nitrate Processing • การเปลี่ยนไนเตรทเป็นแอมโมเนียและกรดอะมิโน เกิดขึ้นในเนื้อเยื่อสังเคราะห์แสง • เอนไซม์ตัวแรกคือ nitrate reductase เปลี่ยนไนเตรทเป็นไนไตรท์ พบใน cytoplasm ของ mesophyll cell • ไนไตรท์ เป็นสารที่ไม่เสถียร และจะเปลี่ยนเป็นแอมโมเนียโดยใช้เอนไซม์ nitrite reductase

38. 38 Nitrogen Fixation • เฉพาะ prokaryote เท่านั้นที่ตรึงไนโตรเจนได้ • ใช้เอนไซม์ nitrogenase • เอนไซม์ nitrogenase ต้องทำงานในสภาวะที่ไม่มีออกซิเจน • เป็นปฏิกิริยาเปลี่ยน N2เป็น NH3 โดยใช้พลังงานจาก ATP • Heterocysts ของ Nostoc ทำหน้าที่ตรึงไนโตรเจนโดยเฉพาะ

39. 39 Sulfate Assimilation • ส่วนมากเกี่ยวข้องกับกรดอะมิโน Cys และ Met • การสังเคราะห์สารกลุ่ม Glucosinolate ตั้งต้นจากกรดอะมิโน Cys • Progoitrin สังเคราะห์จาก Brassica napusสายพันธุ์พื้นเมือง มีฤทธิ์ยับยั้งการดูดซึมไอโอดีน • Alliin พบในหอมและกระเทียม