The Dark Biochemistry avagy a stt szakasz Fotoszintzis

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

redukció 2 n H 2 O + n CO 2 fény n (CH 2 O) + n H 2 O + n O 2 redukált termék oxidáció 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.

M. Calvin (1948 -1953) tisztázta elsőként a CO 2 -fixáció folyamatát, azóta több alternatív utat is feltártak Melvin Calvin, Nobel díj 1961. • 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

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

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 L 8 S 8 alegységek (56 k. Da, kloroplasztiszban szintetizálódik; 14 k. Da, sejtmagban kódolt) small (rbc. S) and the large (rbc. L) 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 CO 2 -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 CO 2 és Mg 2+ megkötésével és proton felszabadításával jár, így a megvilágítás hatására bekövetkező sztróma p. H emelkedés és a Mg 2+ koncentráció növekedés serkenti az aktivációt.

A Rubisco-aktiváz működése A Rubisco-aktiváz eltávolítja a kötött Ru. BP-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).

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

G 3 P – DHAP izomer átalakulás Trióz-foszfát izomeráz DHAP: G 3 P = 22: 1 A regenerációs fázis kezdete Aldoláz

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

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 + 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 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 p. H = 7 Fényen: a redukált NADPH mennyiség 40 -50%, ATP/ADP arány 1 -5, sztróma p. H = 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)

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

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

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 4+ + 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+

GOGAT ATP

2. A C 2 -es fotorespirációs (karbon oxidációs, glikolát) ciklus Összegezve: Minden 2 molekula glikolsav-foszfát (2 x 2 = 4 C atom), mely a Calvin-ciklusból a Ru. BP 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.

A CO 2 fixáció C 4 -es útja (CO 2 koncentráló mechanizmus) 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 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)

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.

A kukoricalevél tipikus Kranz-anatómiája

C 4 levél szerkezet és a C 4 út Mezofill sejt A C 4 növény levél fotoszintetizáló sejtek Hüvelyparenchima sejt CO CO 2 2 PEP karboxiláz PEP (3 C) ADP Oxálecetsav (4 C) Levélér (szállítószövet) Almasav (4 C) C 4 levél felépítés Hüvelyparenchima sejt ATP Piruvát (3 C) CO 2 Sztóma • 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 CALVIN CIKLUS Cukor Szállítószövet

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

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

NADP-almasav-enzim (NAPD-ME) típus

A CO 2 fixáció C 4 -es útja (CO 2 koncentráló mechanizmus) 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 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 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 centrifugálisan Pl. Panicum maximum - pázsitkóró Vannak gránumok, klp centripetálisan Pl. Amaranthus retroflexus – szőrös disznóparéj, Panicum miliaceum - köles

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

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

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)

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

A PEP-karboxiláz nappali inaktív, és éjszakai aktív formája

5. A szaharóz és a keményítő szintézise

Fr 2, 6 -biszfoszfát gátlás

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

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