1 / 55

The Dark Biochemistry

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.

wilbur
Download Presentation

The Dark Biochemistry

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. The Dark Biochemistry avagy a sötét szakasz… Fotoszintézis III. A CO2 asszimilációja: fixáció és redukció Dr. Horváth Ferenc

  2. 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.

  3. 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.

  4. 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

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

  6. 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

  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 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

  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 CO2-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 CO2 és Mg2+ megkötésével és proton felszabadításával jár, így a megvilágítás hatására bekövetkező sztróma pH emelkedés és a Mg2+ 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 CO2 és Mg2+ kötésével karbamilálódhat. A Rubisco-aktivázt a fény a tioredoxin-rendszeren keresztül aktiválja (később).

  12. 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.

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

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

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

  16. Aldoláz szedoheptulóz-1,7-biszfoszfát Szedoheptulóz-1,7-biszfoszfatáz Transzketoláz ribóz-5-foszfát xilulóz-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. 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!

  19. 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

  20. 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)

  21. 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

  22. 2. A C2-es fotorespirációs (karbon oxidációs, glikolát) ciklus A Rubisco kettős aktivitásának következménye… Magas hőmérséklet  oldott CO2/O2 arány csökken

  23. 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

  24. A) A kloroplasztiszban: Ru-1,5-BP + O2glikolsav-foszfát + glicerinsav-3-foszfát glikolsav-foszfát + H2O glikolsav + Pi B) A peroxiszómában (1): glikolsav + O2glioxálsav+ H2O2 (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+ + H4-folát NADH + CO2 + NH4+ + metilén H4-folát metilén H4-folát + H2O + glicin szerin + H4-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+

  25. GOGAT ATP

  26. 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.

  27. 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)

  28. 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.

  29. A kukoricalevél tipikus Kranz-anatómiája

  30. 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

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

  32. 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

  33. NADP-almasav-enzim (NAPD-ME) típus

  34. 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

  35. 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)

  36. 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

  37. 4. A CO2 fixáció C4-es útja a CAM növényekben CAM = Crassulacean Acid Metabolism Crassulaceae Cactaceae Euphorbiaceae Liliaceae Bromeliaceae…

  38. 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

  39. 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)

  40. A CO2 fixáció C4-es útja a CAM növényekben

  41. A PEP-karboxiláz nappali inaktív, és éjszakai aktív formája

  42. 5. A szaharóz és a keményítő szintézise

  43. Fr2,6-biszfoszfát gátlás

  44. 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)

  45. A szaharóz és a keményítő szintézise egymással versengő folyamatok

More Related