550 likes | 749 Views
The Dark Biochemistry. avagy a sötét szakasz…. Fotoszintézis III. A CO 2 asszimilációja: fixáció és redukció. Dr. Horváth Ferenc. fény. 2n H 2 O + n CO 2 n (CH 2 O) + n H 2 O + n O 2. redukció. redukált termék. oxidáció.
E N D
The Dark Biochemistry avagy a sötét szakasz… Fotoszintézis III. A CO2 asszimilációja: fixáció és redukció Dr. Horváth Ferenc
fény 2n H2O + n CO2 n (CH2O) + n H2O + n O2 redukció redukált termék oxidáció Ha nem fotoszintetikus úton előállított ATP-t és NADPH-t adunk sötétben lévő kloroplasztiszokhoz, akkor ugyanúgy megtörténik a CO2-fixáció, mintha megvilágítottuk volna őket.
M. Calvin (1948-1953) tisztázta elsőként a CO2-fixáció folyamatát, azóta több alternatív utat is feltártak • A C3-as (primer termék 3-szénatomos molekula) fotoszintetikus szénredukció (Calvin-ciklus) • A C2-es fotorespirációs (karbon oxidációs, glikolát) ciklus • A CO2 fixáció C4-es útja (CO2 koncentráló mechanizmus) • A CO2 fixáció C4-es útja a CAM növényekben • A szacharóz és a keményítő szintézise és szabályozási mechanizmusok a CO2 asszimilácójában Melvin Calvin, Nobel díj 1961.
1. A C3-as fotoszintetikus szénredukció (Calvin-ciklus) 5 másodperces megvilágítás után forró metanolban fixálva, és 2D papírkromatográfia PGA- glicerinsav-3-foszfát 30 másodperces megvilágítás után forró metanolban fixálva, és 2D papírkromatográfia Szénben jelzett hidrogénkarbonát ion, H14CO3- adagolásával a széndioxid fixálás elsődleges termékei kimutathatók
A Calvin-ciklus három fázisra tagolható Ribulóz-1,5- biszfoszfát Glicerinsav-3-foszfát Glicerinaldehid- 3-foszfát Szacharóz, keményítő
1. A sötétszakasz kezdete: karboxiláció • A Calvin-ciklus folyamán a C3-as úton a széndioxid a ribulóz-1,5-biszfoszfáthoz kötődik és egy feltételezett hat szénatomos intermedier terméken keresztül két molekula glicerinsav-3-foszfáttá alakul át. • A glicerinsav-3-foszfát a fotoszintetikus CO2-fixáció első stabil terméke
RUBISCO • Ribulóz-1,5-biszfoszfát-karboxiláz-oxigenáz a reakciót katalizáló enzim • Kettős enzimaktivitású – karboxiláz és oxigenáz (3:1) • Kompetíció, ha mindkét szubsztrátum jelen van • A kloroplasztisz sztrómájában található
A RUBISCO SZERKEZETE L8S8 alegységek (56 kDa, kloroplasztiszban szintetizálódik; 14 kDa, sejtmagban kódolt) small (rbcS) and the large (rbcL) subunit of rubisco A katalitikus hely a nagyobbik alegységen található
Rubisco: a levél összes fehérje tartalmának több, mint 50%-a N-raktár, a Föld népességének minden tagjára 20 kg jut… Évente 200 milliárd tonna CO2-t fixál A fehér és szürke a nagy alegység dimereket, a narancs és kék a kis alegység dimereket mutatja.
A Rubisco aktiválása karbamilációval Az aktiváció CO2 és Mg2+ megkötésével és proton felszabadításával jár, így a megvilágítás hatására bekövetkező sztróma pH emelkedés és a Mg2+ koncentráció növekedés serkenti az aktivációt.
A Rubisco-aktiváz működése A Rubisco-aktiváz eltávolítja a kötött RuBP-ot az inaktív, dekarbamilált Rubisco-ról egy ATP-t igénylő reakcióban. A szabad Rubisco ezután CO2 és Mg2+ kötésével karbamilálódhat. A Rubisco-aktivázt a fény a tioredoxin-rendszeren keresztül aktiválja (később).
2. A redukciós fázis kezdete Foszforilációs lépés 3-foszfoglicerát-kináz (PGA) Ha a glicerinsav-3-foszfát mennyisége nagyobb, mint a glicerinsav-1,3-biszfoszfáté, akkor a reakció a jelzett irányban játszódik le (glikolízisben fordítva) Az ATP mennyiség 2/3-a itt használódik fel.
Redukciós lépés Glicerinaldehid-3-foszfát dehidrogenáz A NADPH mennyisége limitálja a reakciót, az enzim aktivitását a fény növeli
G3P – DHAP izomer átalakulás Trióz-foszfát izomeráz DHAP:G3P = 22:1 A regenerációs fázis kezdete Aldoláz
Transzketoláz eritróz-4-foszfát xilulóz-5-foszfát Fruktóz-1,6-biszfoszfatáz
Aldoláz szedoheptulóz-1,7-biszfoszfát Szedoheptulóz-1,7-biszfoszfatáz Transzketoláz ribóz-5-foszfát xilulóz-5-foszfát
Ribulóz-5-foszfát epimeráz izomerizáció Ribóz-foszfát-izomeráz Foszforibulo-kináz v. ribulóz-5-foszfát kináz - fény-aktivált enzim - a regeneráció zárólépése - az ATP 1/3-a itt használódik fel
A sötét szakasz legfontosabb biokémiai folyamatai - karboxilációs fázis ribulóz-1,5-bifoszfát + CO2 = 2 glicerinsav-3-foszfát Katalizálja: a ribulóz-1,5-bifoszfát-karboxiláz, oxigenáz (RUBISCO) - redukció szakasza foszforiláció: az ATP 2/3 részének felhasználása redukció: a redukált NADPH felhasználása a glicerinsav-3- foszfát redukciójára - regeneráció a ribulóz-1,5-biszfoszfát-karboxiláz regenerálása: 6 glicerinsav-3-foszfát 3 ribulóz-1,5-biszfoszfát + 1 trióz-foszfát Nyereség ciklusonként egy trióz-foszfát!
A Calvin-ciklus jelentősége • Három pentóz-foszfátból 3 molekula széndioxid megkötésével 6 trióz-foszfát keletkezik • A három pentóz-foszfát regenerálódik • A 3 széndioxid molekulából a nettó eredmény 1 exportálódó trióz-foszfát • Ez cukrok (szacharóz), zsírsavak, aminosavak szintézisére szolgál • A folyamat során 9 ATP és 6 NADPH használódik fel
A Calvin-ciklus regulációja A fotoszintetikus elektrontranszportlánc működését elsősorban a NADP+, az ADP és Pi mennyisége szabja meg. Sötétben: a redukált NADPH mennyiség 5-20%, ATP/ADP arány 0,1-0,2; sztróma pH = 7 Fényen: a redukált NADPH mennyiség 40-50%, ATP/ADP arány 1-5, sztrómapH = 8-8,5 (enzim optimum) Fényen, CO2 hiányában: a redukált NADPH mennyiség 90% A Calvin-ciklus működését szabályozza: 1, A trióz-foszfát/ortofoszfáttranszlokátor (később) 2, A fény Fényre aktiválódó enzimek: Rubisco-aktiváz NADP:gliceraldehid-3-foszfát dehidrogenáz Fruktóz-1,6-biszfoszfát foszfatáz Szedoheptulóz-1,7-biszfoszfát foszfatáz Ribulóz-5-foszfát kináz (foszforibulo-kináz)
A Calvin-ciklus számos enzimét a fényfüggő ferredoxin-tioredoxin rendszer aktiválja Fény PS I a célenzimek diszulfid-csoportjainak redukálása szulfhidrillé a redukált tioredoxin fehérje segítségével. Így kerülnek a célenzimek aktív állapotba
2. A C2-es fotorespirációs (karbon oxidációs, glikolát) ciklus A Rubisco kettős aktivitásának következménye… Magas hőmérséklet oldott CO2/O2 arány csökken
2. A C2-es fotorespirációs (karbon oxidációs, glikolát) ciklus - a Rubisco oxigenáz aktivitása következtében ("parazita") - CO2/O2 koncentrációk, hőmérséklet-függő - a kloroplasztisz, a peroxiszóma és a mitokondriumközreműködésével jön létre a ciklus
A) A kloroplasztiszban: Ru-1,5-BP + O2glikolsav-foszfát + glicerinsav-3-foszfát glikolsav-foszfát + H2O glikolsav + Pi B) A peroxiszómában (1): glikolsav + O2glioxálsav+ H2O2 (glikolsav oxidáz) (a glioxálsav visszajuthat a kloroplasztiszba, ahol NADPH felhasználásával újra glikolsavvá alakulhat, vagy glioxálsav + glutaminsavglicin + α-ketoglutársav (transzamináció) C) A mitokondriumban: glicin + NAD+ + H4-folát NADH + CO2 + NH4+ + metilén H4-folát metilén H4-folát + H2O + glicin szerin + H4-folát D) A szerin visszajut a peroxiszómába: szerin + α-ketoglutársavhidroxi-piruvát + glutaminsav hidroxi-piruvát + NADH + H+glicerinsav + NAD+ E) A kloroplasztiszban: glicerinsav + ATP glicerinsav-3-foszfát + ADP + H+
GOGAT ATP
2. A C2-es fotorespirációs (karbon oxidációs, glikolát) ciklus Összegezve: Minden 2 molekulaglikolsav-foszfát (2x2=4 C atom), mely a Calvin-ciklusból a RuBP oxigenálódása miatt vész el, 1 molekulaglicerinsav-3-foszfáttá (C3) + 1 molekula CO2-dá alakul. Más szóval, az oxigenálódás miatt elveszett szén 75%-át a fotorespirációs ciklus visszavezeti a Calvin-ciklusba. A fotorespirációs ciklussal viszont a CO2 fixáció teljes energiaigénye megnő. A C2-ciklusban 3 mól O2felvétele 1 mól CO2 felszabadulást eredményez 2 mól ATP + 2 mól redukálószer felhasználása mellett.
A CO2 fixáció C4-es útja (CO2 koncentráló mechanizmus) Probléma: a hőmérséklet emelésével a CO2 és O2 oldhatósága megváltozik úgy, hogy a CO2/O2 arány csökken. Ezért a Rubisco oxigenáz aktivitása erősebbé válik. A sztómák is záródnak a vízvesztés megakadályozása miatt, így tovább csökken a rendelkezésre álló CO2 mennyisége. C4 stratégia • C4-es növények jellegzetességei: • A primer fixációs termékek 4 szénatomosak, pl. oxálecetsav, almasav és aszparaginsav • A CO2 fixáció fényen történik • A négyszénatomos molekulákból 1 szénatom adódik a C3-as ciklus felé • Kétféle fotoszintetikus sejttípus van bennük (mezofill és hüvelyparenchima sejtek)
C3 és C4 levélszerkezet • A C4-es növények anatómiája szembeszökően különbözik a C3-as növényekétől. • Csak a C4-es növényekben található a hüvelyparenchima (bundle sheath) vagy Kranz sejtek. • A széndioxid elsődleges kötését a PEP karboxiláz enzim katalizálja a mezofill sejtek citoplazmájában.
Mezofillsejt Mezofill sejt A C4növény levélfotoszintetizálósejtek Hüvely-parenchimasejt PEP karboxiláz CO2 CO2 PEP (3 C) Oxálecetsav (4 C) ADP Levélér (szállítószövet) Almasav (4 C) ATP C4 levél felépítés Piruvát (3 C) Hüvely-parenchimasejt CO2 Sztóma CALVIN CIKLUS Cukor Szállítószövet C4levél szerkezet és a C4út • primér fixációs termék C4 sav(oxálecetsav) • foszfoenol-piruvát (PEP) karboxilálódik • a C4-es és a C3 ciklus térben elválasztódik: speciális anatómia (mezofill és hüvelyparenchima) • trópusi, szubtrópusi növényekben
A foszfoenol-piruvát karboxiláz (PEP)…rendkívül nagy affinitással végzi a karboxilációs reakciót
A C4 alapciklus lépései: • 1) PEP karboxiláció a MEZOFILL sejtekcitoplazmájában • oxálecetsav malát, aszpartát • 2) A C4 sav transzportja a HÜVELYPARENCHIMA-ba • 3) A C4 sav (almasav, aszparaginsav) dekarboxilációja • a CO2 fixációja a C3-as ciklusban • 4) A C3 sav (piruvát, alanin) transzportja MEZOFILL
A CO2 fixáció C4-es útja (CO2 koncentráló mechanizmus) A CO2 koncentrálódása 8-10-szeres a C3-as levélhez képest. Energiamérleg: ellentétben a C3-as növényekkel, nem 3 ATP és 2 NADPH, hanem 5 ATP és 2 NADPH / 1 CO2 a CO2 koncentráláshoz több energia szükséges, melynek nyeresége, hogy nincs fotorespiráció Fény-regulált kulcsenzimek: PEP karboxiláz NADP-almasav dehidrogenáz (tioredoxin) Piruvát-ortofoszfát-dikináz
A dekarboxilációs mechanizmus alapján 3 típus i) NADP-almasav enzim típus (NADP-ME, kloroplasztisz) ii) Foszfoenol-piruvát-karboxikináz típus (PEP-CK, citoplazma) iii) NAD-almasav enzim típus (NAD-ME, mitokondrium)
A kloroplasztiszok szerkezete és elhelyezkedése a különböző fixációs típusú hüvelyparenchima sejtekben Klp centrifugálisan, nincsenek gránumok (nincs lineáris e-trp), mert az almasav a CO2-on kívül redukáló erőt (NADPH-t) is biztosít Az ATP előállításához elegendő a ciklikus fotofoszforilációs aktivitás Pl. Zea mays - kukorica Vannak gránumok, klp centrifugálisan Pl. Panicum maximum - pázsitkóró Vannak gránumok, klp centripetálisan Pl. Amaranthus retroflexus – szőrös disznóparéj, Panicum miliaceum - köles
4. A CO2 fixáció C4-es útja a CAM növényekben CAM = Crassulacean Acid Metabolism Crassulaceae Cactaceae Euphorbiaceae Liliaceae Bromeliaceae…
2 1 Ananász Cukornád CAM C4 CO2 CO2 Mezofill sejt Éjszaka CO2négy szénatomos savakba épül (szén fixálás) Szerves sav Szerves sav (b) A lépések időbeli elkülönülése. A CAM növényekben, a szén fixálása és a Calvin ciklus ugyanabban a sejtben de eltérő időben zajlik. Hüvelyparenchima sejt Nappal (a) A lépések térbeli elkülönülése. A C4növényekben, a szén fixálása és a Calvin ciklus eltérő sejtekben zajlik. A szerves savak-ból CO2 szabadulfel a Calvin ciklus számára CALVINCIKLUS CALVINCIKLUS Cukor Cukor A CAM útvonal hasonló a C4úthoz
4. A CO2 fixáció C4-es útja a CAM növényekben karboxiláció /dekarboxiláció időben elválasztva - sivatagi növények Éjjel: sztómák nyitva PEP + CO2 oxálecetsav almasav vakuólum ("sötét savanyodás") Nappal: zárt sztómák dekarboxiláció, CO2 Calvin ciklus C3 savak trióz-P keményítő, szacharóz CAM növényekben a PEP-karboxiláz kettős funkciójú éjjel: karboxiláz (foszforilált forma) nappal: dekarboxiláz (defoszforilált, almasav-gátolt)
5. A szaharóz és a keményítő szintézise -keményítő: a kloroplasztiszban • szaharóz: a citoplazmában közös lépések a trióz-P-tól a glukóz-1-P-ig izoenzimek: pl. fruktóz-1,6-biszfoszfát foszfatáz kloroplasztiszban: tioredoxin citoszolban: fruktóz-2,6-biszfoszfát keményítő: ADP-glükóz szaharóz: UDP-glükóz Trióz-P megoszlás: trióz-P/Pi transzlokátor (antiport) Pi reguláló szerep Regulátor a citoszolban: fruktóz-2,6-biszfoszfát Fr-1,6-BP Fr-6-P átalakulásnál (, inhibitor; , aktivátor)
A szaharóz és a keményítő szintézise egymással versengő folyamatok