OKSIDATIVNI PENTOZNI CIKLUS U HLOROPLASTU reduktivni pentozni ciklus

OKSIDATIVNI PENTOZNI CIKLUS U HLOROPLASTU - reduktivni pentozni ciklus- Calvin-ov ciklus koji predstavlja glavni metabolički put CO 2 u tamnoj fazi, pokreće se zahvaljujući svjetlosnoj energiji koja je konvertovana u hemijsku - sve dok traje sinteza ATP i NADPH u membranskom sistemu, redukcija CO 2 u pentoznom ciklusu je dominantan proces u stromi hloroplasta - međutim, kada se ugasi svjetlost i prestane sinteza ATP i NADPH, u hloroplastu počinje niz reverznih reakcija koje su slične oksidativnom pentoznom ciklusu u citoplazmi. To je moguće jer ova dva ciklusa imaju više zajedničkih komponenti, a reakcije su reverzibilne i obavljaju ih isti enzimi u oba smjera - glavna razlika je što reduktivni ciklus sadrži dvaput fosforilovane šećere (fruktozu 1, 6 -bisfosfat, sedoheptulozu 1, 7 -bisfosfat i ribulozu 1, 5 -bisfosfat) a njih u oksidativnom nema - dalje, za oksidativni ciklus su karakteristični glukoza 6 -fosfat i 6 -fosfoglukonat

oksidativni ciklus počinje kada fruktoza 6 -fosfat (F-6 -P) izađe iz reduktivnog ciklusa - značaj oksidativnog pentoznog ciklusa u hloroplastima: – daje izvjesnu količinu NADPH za reakcije koje se nastavljaju u mraku - održava konastantnu količinu pentoza u hloroplastima koje su neophodne da se izgradi Ru-1, 5 -BP kada se hloroplasti osvijetle, jer reduktivni ciklus ne bi mogao da počne na svjetlosti jer bi nedostajao akceptor CO 2

FOTORESPIRACIJA - proces koji prati fotosintezu -dešava se na svjetlosti, ali se u njemu oslobađa CO 2, a troši O 2 kao kod disanja po čemu je ovaj proces dobio ime (u biohemijskom pogledu nema ništa zajedničkog sa disanjem već je povezana sa fotosintezom) -teško je mjeriti jer je maskirana fotosintezom - u fotorespiraciji učestvuju sukcesivno tri organele: hloroplasti, peroksizomi i mitohondrije, a i citoplazma koja ih okružuje

1. Oksigenacija ribulozo 1, 5 -bisfosfata -pošto se u hloroplastima uvijek pojavljuje izvjesna količina O 2, koji je proizvod razgradnje vode, oksigenacija Ru 1, 5 -bisfosfat je neizbježna -oksigenacijom Ru 1. 5 -bisfosfata dobija se jedan molekul fosfoglikolata i jedan molekul 3 -fosfoglicerinske kiseline - fosfoglikolat pomoću fosfoglikolatne fosfataze prelazi u glikolat koji izlazi iz hloroplasta posebnim proteinskim prenosiocem

2. Reakcije u peroksizomu - glikolat se oksiduje pomoću glikolatne oksidaze u glioksilat - troši se O 2 a stvara H 2 O 2 koji se razlaže katalazom - od dva glioksilata jedan prima amino grupu od glutamata a drugi od serina i u oba slučaja nastaje glicin ---- koji prelazi u mitohondrije 3. Sinteza serina u mitohondrijama - kondenzacija dva glicina, od koje nastaju serin, CO 2, NH 3 i NADH -- dekarboksilacija glicina je glavna reakcija po kojoj proces liči na disanje - NAD koji se redukuje, ponovo se oksiduje u mitohondriji i doprinosi sintezi ATP

Regeneracija 3 - fosfoglicerinske kiseline -glicin i serin su povezani preko reverzibilne reakcije u kojoj učestvuje tetrahidrofolat THF - od serina se dobija cistein i sve te t AK (serin, glicin i cistein) mogu da se ugarde u proteine -----fotorespiracija čina značajan dio u njihovoj sintezi (kod C 3 biljaka)---- serin može da se koristi i za regeneraciju 3 PGA---na taj način je dio fiksiranog i redukovanog CO 2 vraćen u hloroplast a dio je trajno izgubljen pri sintezi serina

Fotorespiratorni ciklus N - pri fotorespiraciji se N gubi u istoj mjeri kao CO 2 - gubitak N bi za biljku bio štetan kao i gubitak organskog C, kada ne bi postojao put da se ponovo asimiluje -takođe NH 3 jon je toksičan za fotosintezu i njegova asimilacija dovodi do detoksikacije - NH 3 se vraća u hloroplast i koristi za sintezu AK pomoću glutamat/glutamin enzimskog sistema koji obavlja u hloroplastima primarnu sintezu AK – tzv. fotorespiratorni sisitem N!!!

Kvantitativni odnos reduktivnog i fotorespiratornog ciklusa Fotorespiracija na prelazu sa svjetlosti u mrak. Nagli skok u koncentraciji oslobođenog CO 2 proizveden u fotorespiraciji, pošto je fotosinteza prestala; fotorespiracija se javlja samo pri visokoj koncentraciji O 2 (21%) a pri niskoj izostaje (2%)

FIKSACIJA CO 2 KOD C-4 BILJAKA - ispitivanja fiksacije CO 2 kod šećerne trske (australijski fiziolozi Hatch i Slack, 1966) su pokazala da se radioaktivni 14 CO 2 poslije 1 sek. nalazi u karboksilnoj grupi: oksalsirćetne asparaginske i jabučne kiseline a tek poslije nekoliko minuta u 3 -PGA -kasnije je ovaj način fiksacije nađen i kod drugih biljaka; u prvom redu kod biljaka tropskog i subtropskog porijekla (najčešće među pripadnicima familija Poaceae(šećerna trska, kukuruz), Amaranthaceae, Chenopodiaceae) -ne postoji ni jedna sistematska kategorija u kojoj bi baš sve biljke imale ovaj način fiksacije CO 2; navedene familije obuhvataju izvjesne rodove, a ovi pojedine vrste, kod kojih postoji ova osobenost, ali je istovremeno druge vrlo bliske vrste nemaju -pošto prvi produkt fiksacije svih biljaka nije 3 -PGA nego tri kiseline sa 4 ugljenikova atoma---biljke su nazvane C-4, za razliku od svih ostalih koje su naknadno nazvane C-3 - C-4 biljke su međusobom taksonomski vrlo udaljene, ali im je zajedničko porijeklo iz tropskih krajeva i činjenica da su evoluirale pod sličnim ekološkim uslovima

Anatomske i citološke osobine C-4 biljaka - iako C-4 biljke imaju sve morfološke osobine karakteristične za taksone kojima pripadaju, one se po građi lista i strukturi hloroplasta izdvajaju iz svih sistematskih kategorija kao posebna grupa - u asimilacionom tkivu lista C-4 biljaka razlikuje se 2 vrste ćelija: - ćelije mezofila – slične kao kod drugih biljaka, sa manje ili više izraženom podjelom na palisadni i sunđerasti parenhim (među njima su česti veliki intercelulari) - ćelije koje spiralno obavijaju provodne snopiće i grade oko njih zbijeni omotač ili saru snopića ---krajem prošlig vijeka ove ćelije su bile nazvane » kranz « po njemačkoj riječi » vijenac «---mnogo kasnije je utvrđeno da sve biljke koje imaju » kranz « ćelije pripadaju grupi C-4 biljaka

-mnoge C-3 biljke imaju takođe omotač mezofilnih ćelija oko provodnih snopića, ali ove ćelije nemaju, ili imaju malo hloroplasta. Nasuprot tome, u » vijencu « C-4 biljaka nalaze se krupni hloroplasti koji mogu biti postavljeni centripetalno ili centrifugalno -ćelije unutrašnjeg omotača, C-4 biljaka imaju zadebljale zidove, prožete suberinom, dok su ćelije mezofila tanke - ćelije » vijenca « i mezofila su povezane dobro razvijenim brojnim plazmodezmama

- hloroplasti u ćelijama sare provodnih snopića imaju posebnu unutrašnju građu -prema strukturi hloroplasta u ćelijama sare C-4 biljke se dijele : - NADP-malatne- kod kojih se nalaze hloroplasti sa pojedinačnim tilakoidima, koji se pružaju dužinom cijelog hloroplasta-nema grana-tzv. agranalni hloroplasti - na pojedinim mjestima se formira grana –samo nekoliko tilakoida bluzu jedan drugom - hloroplasti ćelijske sare se od mezofilnih razlikuje i po enzimima koje sadrže- rubisco i dr. enzimi reduktivno pentoznog ciklusa nalaze se isključivo u hloroplastima ćelija sare (u mezofilnim ćelijama je dominantan enzim karboksilaza fosfoenolpiruvata)

Metabolizam CO 2 -fiksacija CO 2 iz vazduha i sinteza C-4 organskih kiselina se odvija u mezofilnim ćelijama - reduktivnvi pentozni ciklus se odvija u ćelijama sare - u okviru asimilacije CO 2 razlikuju se sledeće faze: - fiksacija CO 2, karboksilacija fosfoenolpiruvata i sinteza kiselina sa 4 ugljenikova atoma u mezofilu - transport C-4 kiselina u ćelije sare - dekarboksilacija C-4 kiselina, fiksacija CO 2 u reduktivno pentoznom ciklusu u ćelijama sare - transport ostataka sa 3 atoma C u ćelije mezofila - regeneracija akceptora CO 2 u ćelijama mezofila

-procesi u ćelijama mezofila su uglavnom jednaki kod svih C-4 biljaka, a prema C-4 kiselinama koje se transportuju iz mezofila u saru i prema enzimima koji obavljaju dekarboksilaciju C-4 biljke se dijale na 3 grupe: - NADP-malatni tip- sa jabučnom kiselinom i NADP-jabučnim enzimom (kukuruz, šećerna trska…) -NAD tip – sa asparaginskom kiselinom i NAD-jabučnim enzimom (Amarantus edulis, Panicum miliaceum…) - PCK-aspartatni tip- sa asparaginskom kiselinom i fosfoenolpiruvatnom karboksikinazom (PCK) (Panicum maxicum, Spartina …)

Fiiksacija CO 2 i karboksilacija fosfoenolpiruvata - fiksacija CO 2 se obavlja u ćelijama mezofila, koje su zahvaljujući intercelularima, okružene vazduhom - apsorbovani CO 2 se u citoplazmi ćelija rastvara u ugljenu kiselinu (enzim karbodenhidraza) -jon ugljene kiseline se vezuje za supstrat fosfoenolpiruvat –karboksilacija (enzim fosfoenolpiruvat karboksilaza –aktivna ako je fosforilovana, na svjetlosti) - prvi produkt je oksalsirćetna kiselina (oksalo-acetat) koja je toksična i brzo prelazi u dvije kiseline: - kod malatnih biljaka enzim jabučna (malatna) dehidrogenaza čiji je koenzim NADPH redukuje oksaloacetat u jabučnu kiselinu (malat) - kod asparatatnih biljaka aminacijom oksalo-acetata enzimom transaminazom dobija se asparaginska kiselina (aspartat) - karboksilacija PEP u malat kod malatnih biljaka se obavlja u hloroplastu mezofilnih ćelija a NADPH potiče iz svijetle faze fotosinteze -aminacija oksalo-acetata se dešava u citoplazmi mezofilne ćelije - malat odnosno aspartat se zatim transportuju iz mezofilne ćelije u ćelije sare preko plazmodezmi

Biljke sa malatom i NADPH-jabučnim enzimom - malatne biljke imaju samo agranalne hloroplaste u ćelijama sare, u membranama ovih hloroplasta odnos hl a/b je 10, a u mezofilnim ćelijama 2, 5 - malat koji je ušao u hloroplast ćelije sare---pod dejstvom jabučnog enzima, koji ima funkciju dekarboksilaze oksiduje se i gubi CO 2 - --- kao rezultat reakcije dobija se CO 2, NADPH i piruvat (C 3) - CO 2 --- u Kalvinov ciklus za karboksilaciju Ru 1, 5 -bisfosfata - NADPH u Kalvinov ciklus (pošto nemaju grana, PSII je slabo razvijen, samo se obavlja cikličan transport elektrona i proizvodi ATP) - piruvat ide nazad u ćelije mezofila i regeneriše se PEP

Biljke sa aspartatom i NAD-jabučnim enzimom - aspartat koji se ušao u ćelije sare ulazi u mitohondrije i pod dejstvom aspartatne aminotransferaze reaguje sa ketoglutaratom, predaje amino grupu i nastaju oksaloacetat i glutamat - oksaloacetat se redukuje u malat (enzim NADP malatne dehidrogenaze) a zatim se u oksidativnoj dekarboksilaciji pod dejstvom jabučnog enzima vezanog za NAD daje CO 2 i piruvat - CO 2 ulazi u hloroplast--reduktivni ciklus - piruvat u citoplazmi prima –NH 2 grupu prelazi u alanin koji napušta ćeliju sare i ulazi u mezofilnu ćeliju i , ponovo gubi –NH 2 grupu daje piruvat koji se u hloroplastu regeneriše u PEP

Biljke sa aspartatom i PEP-karboksinazom - u mezufilnoj ćeliji se od oksalacetata u citosolu obrazuje aspartat i malat u hloroplastu - slično kao kod biljaka sa aspartatom i NAD-jabučnom kiselinom , aspartat prelazi u ćelije sare, reaguje sa ketoglutaratom (enzim aspartatna aminotransferaza) i dobija se oksaloacetat i glutamat - oksalacetat , pod dejstvom PEPkarboksinaze, za čije je dejstvo potreban ATP, daje PEP i CO 2: - CO 2 ulazi u hloroplast i učestvuje u reduktivnom ciklusu - PEP se vraća u mezofilnu ćeliju - malat iz hloroplasta mezofilne ćelije odlazi u mitohondriju ćelije sare, gdje pod dejstvom NAD-jabučnog enzima daje piruvat, CO 2 i NADH - piruvat kao alanin se vraće iz ćelije sare u mezofilnu ćeliju, ponovo daje piruvat i on se regeneriše u PEP -CO 2 ide u redukcioni ciklus u hloroplastu -NADH se u mitohondriji ponovo oksiduje u elektron-transportnom lancu i doprinosi proizvodnji ATP koji je neophodan za dejstvo PEP-karboksonaze

Regeneracija akceptora CO 2 - proces regeneracije PEP su isti kod sva tri tipa C-4 biljaka i odvija se u mezofilnim ćelijama -enzim piruvat-fosfatna dikinaza PPDK prenosi jednu fosfatnu grupu sa ATP na piruvat , a drugu na jedan neorganski fosfat (Pi) pa nastaju: -PEP, adenozinmonofosfat AMP i pirofosfat PPi - AMP sa još jednim molekulom ATP, pomoću adenilne kinaze proizvodi 2 ADP koji su neophodni kao supstrat u fosforilaciji za sintezu ATP -produkti reduktivnog ciklusa u ćelijama sare se deponuju kao skrob u istim hloroplastima, ili se kao trioze vraćaju u mezofilne ćelije gdje se gradi saharoza. Međutim, saharoza se vraća i ulazi u floem, a skrob se razlaže i takođe transportuje floemom u druge djelove biljke.

Stehiometrija C-4 ciklusa - hloroplasti mezofila: -obavljaju svijetlu fazu fotosinteze i proizvode ATP i NADPH -ne sadrže rubisco enzim, kao ni ostale enzime reduktivnog ciklusa -ATP se koristi isključivo za regeneraciju akceptora CO 2 – PEP, u ciklusu u kome se obnavlja i ADP koji je potreban za fotosintetičku fosforilaciju - NADPH se koristi za reduktivnu sintezu malata kod malatnih biljaka, redukcioni ekvivalent, ugrađen u malat, se troši u hloroplastu sare u reduktivnom ciklusu (kod aspartatnih biljaka prenos redukcionog ekvivalenta nije potreban, jer one imaju granalne hloroplaste i obavljaju necikličan transport elektrona) -u reduktivnom ciklusu u hloroplastima sare troši se na jedan fiksirani CO 2 2 NADPH i 3 ATP kao kod C-3 biljaka, a treba dodati još 2 ATP za regeneraciju PEP

Produktivnost C-4 biljaka Kakav je smisao procesa u kome se CO 2 prvo veže, pa oslobodi, a pri tome se troši znatna energija? -C-4 tip fotosinteze je način kojim se CO 2 koncentriše u hloroplastu, na mjestu gdje se obavlja reduktivni ciklus -to je evolutivna adaptacija biljaka koje žive u toplim i suvim predjelima -glavna posljedica je smanjenje fotorespiracije što dovodi do znatno veće produktivnosti C-4 biljkaka - fotorespiracija kod C-3 biljaka se ne može izbjeći jer fiksaciju obavlja rubisco (kod visokih temperatura fotorespiracija donosi veći gubitak jer je oksigenacija Ru 1, 5 bisfosfat intenzivnija) - C-4 biljke su izbjegle ovaj proces time što fiksaciju CO 2 iz vazduha obavlja PEPkarboksilaza, koja ima visok afinitet prema CO 2 (odnosno prema HCO 3 -) i na koju O 2 ne utiče

- kod malatnih biljaka koncentracija O 2 je snižena jer se ne obavlja necikličan transport elektrona i ne proizvode O 2 ----na mjestu dejstva rubiska favorizovana je karboksilacija a fotorespiracija praktično i ne postoji (ako se i javi proizvedeni CO 2 se brzo fiksira pod dejstvom PEP karboksilaze) -produktivnost C-4 biljaka je u vezi i sa njihovim vodnim režimom. Pošto žive na visokoj temperaturi, izložene su jakoj transpiraciji, pa su stome vrlo malo otvorene. U tim uslovima koncentracija CO 2 u intercelularima je smanjena, ali PEP-karboksilaza ga vezuje---tako da su C-4 biljke i u tim uslovima visoko produktivne