A fémion akkumuláció mechanizmusa

1. A fémion akkumuláció mechanizmusa Fitoremediáció 4. hét

2. Anyagtranszport a gyökérben

3. Transzcelluláris és radiális transzport • apoplaszt, szimplaszt • Ionfelvétel/leadás a xilémbe • a xilémparenchima szerepe • szelektivitás

4. Apoplaszt és szimplaszt

5. Ionfelvétel a gyökér sejtbe

6. MEMBRÁN-TRANSZPORT RENDSZEREK ELSŐDLEGES TRANSZPORT (elektrogén „pumpák”) ATPázok (kovalens kötést bontanak) MÁSODLAGOS TRANSZPORT CSATORNÁK (107/s transzport esemény) HORDOZÓK (10-1000/s transzport esemény) uniport – elektrokémiai gradiensen lefelé ko-transzport – elektrokémiai gradiensen fölfelé szimport antiport ABC (ATP Binding Casette) transzporterek (tonoplaszton) MDR (multidrug resistance) alosztály MRP (multidrug associated proteins) alosztály

7. Aktív transzport:Az elsődleges elektrogén mechanizmusok(elektrogén „pumpák”) Növényekben: P-típusú (E1E2) H+-ATPáz (plazmalemma) V-típusú H+-ATPáz (tonoplaszt) Ca2+-ATPáz (endomembránok, plazmalemma) Egyéb organizmusokban: K+/H+-ATPáz (baktériumok, emlősök-gyomor) K+/Na+-ATPáz (vese, idegrendszer, vörösvérsejt/test)

8. Az elsődleges elektrogén transzportrendszer: a H+-ATPáz („proton-pumpa”, P-típusú ATPáz)

9. Az elsődleges elektrogén transzportrendszer: a H+-ATPáz(„proton-pumpa”, P-típusú ATPáz)

10. A (Mg)ATP bekötődése a kináz domén motívumaihoz

11. Az auto-inhibitoros domén A plazma membránban lokalizálódó proton-transzlokáló ATP-áz szerkezete kiterítve és térben ( a zöld molekula egy aktiváló fehérje)

12. Az auto-inhibitoros domén Az aktiváló fehérje az un. 14-3-3 protein Ha ehhez a Fusicoccum amygdali gomba toxinja, a fuzikokcin kapcsolódik, aktív állapotban stabilizálja a H+- ATP-ázt

13. A V-ATPáz: a tonoplaszt proton pumpája A vakuólum membránban található proton-transzlokáló ATP-áz sok fehérje alegységből áll, és úgy működik, mint egy rotor

14. A H+-pirofoszfatáz (V-PPáz)a tonoplaszt második proton pumpája

15. Összefoglalva: Proton-transzlokáló ATP-áz molekulák találhatók a plazmamembránon, a vakuólum membránon és az endomembrán rendszerben A kloroplasztiszban és a mitokondriumban ATP szintézis történik

16. Az ATP szintáz„F0F1-ATPáz”

17. Az ATP szintáz„F0F1-ATPáz”

18. Másodlagos aktív transzport Uniport Ko-transzport szimport antiport A proton elektrokémiai potenciálgrádiensében rejlő energia a másodlagos aktív transzportban hasznosul

21. Uniport (I), antiport (II) és szimport (III) a vakuolum membránján, a tonoplaszton keresztül

22. A csatornák

23. Csatornákon keresztül történő transzport: alapvetően passzív, a nyitódási mechanizmus függ a membránpotenciáltól: feszültség-függő csatornák (pl. K+ influx csatorna, hiperpolarizációra nyílik; K+ efflux csatorna, depolarizációra nyílik )

24. Ionfelvétel a gyökér sejtbe

25. A Michaelis-Menten kinetika

26. Anyagtranszport a gyökérben: Molekuláris szint • nagy affinitású rendszer: K+-H+ szimport (1:1) • cDNS klón HKT1 (534 aminosav protein) • μM [K+]ext tartományban • kortex sejtekben • alacsony affinitású rendszer: befelé egyenirányító csatornák • 1 mM [K+]ext fölött • Em-hajtotta K+ influx (H+-ATPáz!) • Al3+ ionok gátolják

27. Kálium csatorna

28. Micrograph of a patch pipette attached to the surface of a barley aleurone cell protoplast. (Photo courtesy of J. Schroeder and D. Bush.)

30. Ion channels in plants Plasma membrane 1,4-Dihydropyridines - Ca2+ - Phenylakylamines IP3 ER + Ca2+ Ca2+ Ca2+ + Tonoplast Ca2+ Cl- Cl- + + K+ Ca2+ Ca2+ Cl- K+ Vacuole + high G Cytoplasm Negative MP Thylakoid Cl- low G (stretch activated) K+ K+ Cl- - - Ca2+ Ca2+ Mg2+ K+ + ? Negative MP + Ca2+ Ca2+ K+ VDAC K+ H+ - Mitochondrion H+

31. A sztómazárósejt működésének szabályozási módjai ABA Ca2+ -függő Vacuole Kin IP3 K+ Ca2+cyt cADPR Ca2+ Vm K+ VK SV K+ FV H+cyt K+ Cytosol Kout Ca2+ -független ABA

32. Csatornák: a sztómamozgás regulációja

33. A gyökér kortex és xilémparenchima sejtek Na+ transzportja

34. Fémion felvétel • Konstitutív vagy induktív transzport mechanizmusok, kis vagy nagy affinitásúak a gyökérsejt plazmamembránon • HIPERAKKUMULÁTOR: konstitutívan overexpresszált • Normál növények: a gének fém-hiány esetén expresszálódnak • Fém akkumuláció: • transzlokáció (xilém transzport!) • Tárolás: (kelálás) a levélben (tolerancia!) Különböző helyeken különböző transzportrendszerek Megközelítés: a fém-regulált gének izolálása és analízise hiperakkumulátorokból proteóma analízis (2-D gélelfo + MS) fitokelatin, kelátorok analízise

35. Fémtranszporterek növényekbenHall JL, Williams LE (2004) J. Exp. Bot. 54: 2601-2613. • Fe, Cu, Mn, Zn – esszenciális mikronutriensek • Nehézfém ATPázok (heavy metal ATPases, HMAs, CPx-type ATPases, P-ATPases) • I-V család, PIB típus a fém-transzporter, cisztein-prolin szekvenciákkal • Monovalens (Cu+/Ag+) és divalens (Zn/Co/Cd/Pb) fémekre külön-külön • ABC transzporterek (ATP Binding Casette) • Nramps (Natural resistance associated macrophage proteins) • Kation-diffúzió facilitátorok (CDF, cation diffusion facilitator) • ZIP család (ZRT, IRT-like proteins): Fe, Zn, Mn, Cd transzport • Kation/H+ antiporterek: Ca, Na, Cd, Mn • Réz-transzporterek (Pl. COPT1) • Egyéb rendszerek: pl. ciklikus-nukleotida kontrollált csatornák, Pb, Ni

37. Fémtranszporterek növényekbenHall JL, Williams LE (2004) J. Exp. Bot. 54: 2601-2613.

38. Thlaspi cearulescens:Zn/Cd hiperakkumulátorPence et al.: The molecular physiology of heavy metal transport…PNAS 97: 4956-4960 (2000) • Zn transzport stimuláció a gyökérben, xilém feltöltésben, levélben • (a szenzitív Th. arvense-ben: kompartmentalizáció a gyökérben (vakuolumban), nincs transzlokáció a hajtásba) ZNT1: mikronutriens transzport gén család (mint Arabidopsis IRT1 /Fe/ és ZIP /Zn/ transzporterek) nagy affinitású Zn transzportert, kis affinitású Cd transzportert kódol Gyökérben is és hajtásban is erősen expresszálódik ZTP1 a levélben, ZTP3 a gyökérben

39. Northern blot analízis (össz-RNS) Ellentétes szabályozódás a két fajban A tápoldat Zn-konc. hatása a génkifejeződésre és a Zn-felvétel kinetikai paraméterei A Zn-transzporter gén kifejeződése Thlaspi cearulescens és T.arvense fajokban. A 2. sor az arvense-homológgal való rehibridizációs kép

40. Arabidopsis thalianaThomine et al.: Cadmium and iron transport… PNAS 97: 4991-4996 (2000) • ZAT1: állati és élesztő Zn-transzporterhez hasonló • ZIP géncsalád: mint IRT • AtNramp: (natural resistance-associated macrophage protein) Fe/Cd konstitutív transzporter • (Nramp1: egér bakteriális szenzitivitás! • EIN1: az etilén jelátviteli útban, transzport funkció nélkül) • AtNramp1, 3 fémhiánynál expresszálódnak

41. ABC (ATP Binding Casette) transzporterek Rea et al.: From vacuolar GS-X pumps to multispecific ABC transporters. Ann. Rev. Plant Physiol. Plant. Mol. Biol. 1988. 49: 727-760. • Két alosztály: • MDR (multidrug resistance gének), Arabidopsisban AtPgP1, AtMDR1, -2 • MRP (multidrug resistance associated proteins) • Transzportált anyag: alkaloidok, lipidek, peptidek, szteroidok, cukrok, szervetlen anionok és kelált nehézfémek, herbicidek Motívumok és domének (minden ABC transzporter): • Egy vagy két integrális transzmembrán domén (TMD) • Egy vagy két ATP kötő domén (NBF, nucleotide binding fold) – ez a legkonzervatívabb szakasz Moduláris felépítés: 2 NBF és 2 TMD külön-külön, vagy mint multidoménes protein expresszálódnak Vakuoláris GS-X pumpák: a GSH-függő detoxifikálás eszközei

42. Egy ABC transzporter a vakuolum membránban (tonoplasztban) Rea et al.: From vacuolar GS-X pumps to multispecific ABC transporters. Ann. Rev. Plant Physiol. Plant. Mol. Biol. 1988. 49: 727-760.

43. A vas és a réz felvétele

44. A Zn tárolása a búza embrió Ec proteinjén növényi igazi metallotionein (I. típusú)

45. Esettanulmányok • - a búza (nem sótűrő, nem fémakkumuláló) • - nád és gyékény (rizofiltrációs, gyökérágyas eljárásban alkalmazható) • - Thlaspi goesingense = osztrák tarsóka (hiperakkumuláló)

46. Köszönöm a figyelmet!