Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

The Dark Biochemistry avagy a sötét szakasz… A CO 2 asszimilációja: fixáció és redukció Fotoszintézis III. Dr. Horváth Ferenc.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "The Dark Biochemistry avagy a sötét szakasz… A CO 2 asszimilációja: fixáció és redukció Fotoszintézis III. Dr. Horváth Ferenc."— Előadás másolata:

1 The Dark Biochemistry avagy a sötét szakasz… A CO 2 asszimilációja: fixáció és redukció Fotoszintézis III. Dr. Horváth Ferenc

2 Ha nem fotoszintetikus úton előállított ATP-t és NADPH-t adunk sötétben lévő kloroplasztiszokhoz, akkor ugyanúgy megtörténik a CO 2 -fixáció, mintha megvilágítottuk volna őket. 2n H 2 O + n CO 2 n (CH 2 O) + n H 2 O + n O 2 redukált termék redukció oxidáció fény

3 A C 3 -as (primer termék 3-szénatomos molekula) fotoszintetikus szénredukció (Calvin-ciklus) A C 2 -es fotorespirációs (karbon oxidációs, glikolát) ciklus A CO 2 fixáció C 4 -es útja (CO 2 koncentráló mechanizmus) A CO 2 fixáció C 4 -es útja a CAM növényekben A szacharóz és a keményítő szintézise és szabályozási mechanizmusok a CO 2 asszimilácójában M. Calvin ( ) tisztázta elsőként a CO 2 -fixáció folyamatát, azóta több alternatív utat is feltártak Melvin Calvin, Nobel díj 1961.

4 1. A C 3 -as fotoszintetikus szénredukció (Calvin-ciklus) Szénben jelzett hidrogénkarbonát ion, H 14 CO 3 - adagolásával a széndioxid fixálás elsődleges termékei kimutathatók 5 másodperces megvilágítás után forró metanolban fixálva, és 2D papírkromatográfia PGA- glicerinsav-3-foszfát 30 másodperces megvilágítás után forró metanolban fixálva, és 2D papírkromatográfia

5 Glicerinsav-3-foszfát Glicerinaldehid- 3-foszfát Ribulóz-1,5- biszfoszfát Szacharóz, keményítő A Calvin-ciklus három fázisra tagolható

6 A Calvin-ciklus folyamán a C 3 -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 CO 2 -fixáció első stabil terméke 1. A sötétszakasz kezdete: karboxiláció

7 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

8 A RUBISCO SZERKEZETE L 8 S 8 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

9 Rubisco: a levél összes fehérje tartalmának több, mint 50%-a N-raktár, a Föld népességének minden tagjára 20 kg jut… Évente 200 milliárd tonna CO 2 -t fixál A fehér és szürke a nagy alegység dimereket, a narancs és kék a kis alegység dimereket mutatja.

10 A Rubisco aktiválása karbamilációval Az aktiváció CO 2 és Mg 2+ megkötésével és proton felszabadításával jár, így a megvilágítás hatására bekövetkező sztróma pH emelkedés és a Mg 2+ koncentráció növekedés serkenti az aktivációt.

11 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 CO 2 és Mg 2+ kötésével karbamilálódhat. A Rubisco-aktivázt a fény a tioredoxin-rendszeren keresztül aktiválja (később).

12 3-foszfoglicerát-kináz 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. (PGA) Foszforilációs lépés 2. A redukciós fázis kezdete

13 Glicerinaldehid-3-foszfát dehidrogenáz Redukciós lépés A NADPH mennyisége limitálja a reakciót, az enzim aktivitását a fény növeli

14 G3P – DHAP izomer átalakulás Trióz-foszfát izomeráz DHAP:G3P = 22:1 Aldoláz A regenerációs fázis kezdete

15 eritróz-4-foszfát xilulóz-5-foszfát Transzketoláz Fruktóz-1,6-biszfoszfatáz

16 szedoheptulóz-1,7-biszfoszfát Aldoláz Szedoheptulóz-1,7-biszfoszfatáz Transzketoláz ribóz-5-foszfátxilulóz-5-foszfát

17 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

18

19

20 A sötét szakasz legfontosabb biokémiai folyamatai - karboxilációs fázis ribulóz-1,5-bifoszfát + CO 2 = 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- foszfátredukciójára - 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!

21 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

22 A Calvin-ciklus regulációja A fotoszintetikus elektrontranszportlánc működését elsősorban a NADP +, az ADP és P i 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, sztróma pH = 8-8,5 (enzim optimum) Fényen, CO 2 hiányában: a redukált NADPH mennyiség 90% A Calvin-ciklus működését szabályozza: 1, A trióz-foszfát/ortofoszfát transzlokátor (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)

23 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

24 2. A C 2 -es fotorespirációs (karbon oxidációs, glikolát) ciklus A Rubisco kettős aktivitásának következménye… Magas hőmérséklet  oldott CO 2 /O 2 arány csökken

25 2. A C 2 -es fotorespirációs (karbon oxidációs, glikolát) ciklus - a Rubisco oxigenáz aktivitása következtében ("parazita") - CO 2 /O 2 koncentrációk, hőmérséklet-függő - a kloroplasztisz, a peroxiszóma és a mitokondrium közreműködésével jön létre a ciklus

26 A) A kloroplasztiszban: Ru-1,5-BP + O 2  glikolsav-foszfát + glicerinsav-3-foszfát glikolsav-foszfát + H 2 O  glikolsav + Pi B) A peroxiszómában (1): glikolsav + O 2  glioxálsav + H 2 O 2 (glikolsav oxidáz) (a glioxálsav visszajuthat a kloroplasztiszba, ahol NADPH felhasználásával újra glikolsavvá alakulhat, vagy glioxálsav + glutaminsav  glicin + α-ketoglutársav (transzamináció) C) A mitokondriumban: glicin + NAD + + H 4 -folát  NADH + CO 2 + NH metilén H 4 -folát metilén H 4 -folát + H 2 O + glicin  szerin + H 4 -folát D) A szerin visszajut a peroxiszómába: szerin + α-ketoglutársav  hidroxi-piruvát + glutaminsav hidroxi-piruvát + NADH + H +  glicerinsav + NAD + E) A kloroplasztiszban: glicerinsav + ATP  glicerinsav-3-foszfát + ADP + H +

27 GOGAT ATP

28 Összegezve: Minden 2 molekula glikolsav-foszfát (2 x 2 = 4 C atom), mely a Calvin-ciklusból a RuBP oxigenálódása miatt vész el, 1 molekula glicerinsav-3-foszfáttá (C 3 ) + 1 molekula CO 2 -dá alakul. Más szóval, az oxigenálódás miatt elveszett szén 75%-át a fotorespirációs ciklus visszavezeti a Calvin-ciklusba. A fotorespirációs ciklussal viszont a CO 2 fixáció teljes energiaigénye megnő. A C 2 -ciklusban 3 mól O 2 felvétele 1 mól CO 2 felszabadulást eredményez 2 mól ATP + 2 mól redukálószer felhasználása mellett. 2. A C 2 -es fotorespirációs (karbon oxidációs, glikolát) ciklus

29

30 A CO 2 fixáció C 4 -es útja (CO 2 koncentráló mechanizmus) C 4 -es növények jellegzetességei: 1.A primer fixációs termékek 4 szénatomosak, pl. oxálecetsav, almasav és aszparaginsav 2.A CO 2 fixáció fényen történik 3.A négyszénatomos molekulákból 1 szénatom adódik a C 3 -as ciklus felé 4.Kétféle fotoszintetikus sejttípus van bennük (mezofill és hüvelyparenchima sejtek) Probléma: a hőmérséklet emelésével a CO 2 és O 2 oldhatósága megváltozik úgy, hogy a CO 2 /O 2 arány csökken. Ezért a Rubisco oxigenáz aktivitása erősebbé válik. A sztómák is záródnak a vízvesztés megakadályozása miatt, így tovább csökken a rendelkezésre álló CO 2 mennyisége.  C 4 stratégia

31 C 3 és C 4 levélszerkezet A C 4 -es növények anatómiája szembeszökően különbözik a C 3 -as növényekétől. Csak a C 4 -es növényekben található a hüvelyparenchima (bundle sheath) vagy Kranz sejtek. A széndioxid elsődleges kötését a PEP karboxiláz enzim katalizálja a mezofill sejtek citoplazmájában.

32 A kukoricalevél tipikus Kranz-anatómiája

33 C 4 levél szerkezet és a C 4 út CO 2 Mezofill sejt Hüvely- parenchima sejt Levélér (szállítószövet) A C 4 növény levél fotoszintetizáló sejtek Sztóma Mezofill sejt C 4 levél felépítés PEP karboxiláz Oxálecetsav (4 C) PEP (3 C) Almasav (4 C) ADP ATP Hüvely- parenchima sejt CO 2 Piruvát (3 C) CALVIN CIKLUS Cukor Szállítószövet CO 2 primér fixációs termék C 4 sav (oxálecetsav) foszfoenol-piruvát (PEP) karboxilálódik a C 4 -es és a C 3 ciklus térben elválasztódik: speciális anatómia (mezofill és hüvelyparenchima) trópusi, szubtrópusi növényekben

34 A foszfoenol-piruvát karboxiláz (PEP)… rendkívül nagy affinitással végzi a karboxilációs reakciót

35 A C 4 alapciklus lépései: 1) PEP karboxiláció a MEZOFILL sejtek citoplazmájában oxálecetsav  malát, aszpartát 2) A C 4 sav transzportja a HÜVELYPARENCHIMA-ba 3) A C 4 sav (almasav, aszparaginsav) dekarboxilációja a CO 2 fixációja a C 3 -as ciklusban 4) A C 3 sav (piruvát, alanin) transzportja  MEZOFILL

36 NADP-almasav-enzim (NAPD-ME) típus

37

38

39 A CO 2 koncentrálódása 8-10-szeres a C 3 -as levélhez képest. Energiamérleg: ellentétben a C 3 -as növényekkel, nem 3 ATP és 2 NADPH, hanem 5 ATP és 2 NADPH / 1 CO 2 a CO 2 koncentráláshoz több energia szükséges, melynek nyeresége, hogy nincs fotorespiráció Fény-regulált kulcsenzimek: PEP karboxiláz NADP-almasav dehidrogenáz (tioredoxin) Piruvát-ortofoszfát-dikináz A CO 2 fixáció C 4 -es útja (CO 2 koncentráló mechanizmus)

40 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)

41 A kloroplasztiszok szerkezete és elhelyezkedése a különböző fixációs típusú hüvelyparenchima sejtekben Klp centrifugálisan, nincsenek gránumok (nincs lineáris e-trp), mert az almasav a CO 2 -on kívül redukáló erőt (NADPH-t) is biztosít Az ATP előállításához elegendő a ciklikus fotofoszforilációs aktivitás Pl. Zea mays - kukorica Vannak gránumok, klp centripetálisan Pl. Amaranthus retroflexus – szőrös disznóparéj, Panicum miliaceum - köles Vannak gránumok, klp centrifugálisan Pl. Panicum maximum - pázsitkóró

42 4. A CO 2 fixáció C 4 -es útja a CAM növényekben CAM = Crassulacean Acid Metabolism Crassulaceae Cactaceae Euphorbiaceae Liliaceae Bromeliaceae…

43 A CAM útvonal hasonló a C 4 úthoz A lépések térbeli elkülönülése. A C 4 növényekben, a szén fixálása és a Calvin ciklus eltérő sejtekben zajlik. (a) A lépések időbeli elkülönülése. A CAM növényekben, a szén fixálása és a Calvin ciklus ugyanabban a sejtben de eltérő időben zajlik. (b) Ananász Cukornád Hüvelyparenchima sejt Mezofill sejt Szerves sav CALVIN CIKLUS Cukor CO 2 Szerves sav CALVIN CIKLUS Cukor C4C4 CAM CO 2 négy szénatomos savakba épül (szén fixálás) Éjszaka Nappal 1 2 A szerves savak- ból CO 2 szabadul fel a Calvin ciklus számára

44 4. A CO 2 fixáció C 4 -es útja a CAM növényekben karboxiláció /dekarboxiláció időben elválasztva - sivatagi növények Éjjel: sztómák nyitva PEP + CO 2  oxálecetsav  almasav  vakuólum ("sötét savanyodás") Nappal: zárt sztómák dekarboxiláció, CO 2  Calvin ciklus C 3 savak  trióz-P  keményítő, szacharóz CAM növényekben a PEP-karboxiláz kettős funkciójú éjjel: karboxiláz (foszforilált forma) nappal: dekarboxiláz (defoszforilált, almasav-gátolt)

45 A CO 2 fixáció C 4 -es útja a CAM növényekben

46 A PEP-karboxiláz nappali inaktív, és éjszakai aktív formája

47 5. A szaharóz és a keményítő szintézise

48 Fr2,6-biszfoszfát gátlás

49 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/P i transzlokátor (antiport) P i reguláló szerep Regulátor a citoszolban: fruktóz-2,6-biszfoszfát Fr-1,6-BP  Fr-6-P átalakulásnál ( , inhibitor; , aktivátor)

50 A szaharóz és a keményítő szintézise egymással versengő folyamatok

51 A cukorszintézis regulátora: a fruktóz-2,6-biszfoszfát

52

53

54

55


Letölteni ppt "The Dark Biochemistry avagy a sötét szakasz… A CO 2 asszimilációja: fixáció és redukció Fotoszintézis III. Dr. Horváth Ferenc."

Hasonló előadás


Google Hirdetések