Transcript A fémion akkumuláció mechanizmusa

A fémion akkumuláció mechanizmusa
Fitoremediáció
4. hét
Anyagtranszport a gyökérben
Transzcelluláris és radiális transzport
•
•
•
•
apoplaszt, szimplaszt
Ionfelvétel/leadás a xilémbe
a xilémparenchima szerepe
szelektivitás
Apoplaszt és szimplaszt
Ionfelvétel a gyökér sejtbe
MEMBRÁN-TRANSZPORT
RENDSZEREK
ELSŐDLEGES TRANSZPORT (elektrogén „pumpák”)
ATPázok (kovalens kötést bontanak)
MÁSODLAGOS TRANSZPORT
CSATORNÁK (107/s transzport esemény)
HORDOZÓK (10-1000/s transzport esemény)
uniport – elektrokémiai gradiensen lefelé
ko-transzport – elektrokémiai gradiensen fölfelé
szimport
antiport
ABC (ATP Binding Casette) transzporterek (tonoplaszton)
MDR (multidrug resistance) alosztály
MRP (multidrug associated proteins) alosztály
Aktív transzport:
Az elsődleges elektrogén mechanizmusok
(elektrogén „pumpák”)
Növényekben:
P-típusú (E1E2) H+-ATPáz (plazmalemma)
V-típusú H+-ATPáz (tonoplaszt)
Ca2+-ATPáz (endomembránok, plazmalemma)
Egyéb organizmusokban:
K+/H+-ATPáz (baktériumok, emlősök-gyomor)
K+/Na+-ATPáz (vese, idegrendszer, vörösvérsejt/test)
Az elsődleges elektrogén transzportrendszer: a
H+-ATPáz („proton-pumpa”, P-típusú ATPáz)
Az elsődleges elektrogén transzportrendszer: a
H+-ATPáz
(„proton-pumpa”, P-típusú ATPáz)
A (Mg)ATP bekötődése a kináz domén
motívumaihoz
Az auto-inhibitoros
domén
A plazma membránban lokalizálódó proton-transzlokáló
ATP-áz szerkezete kiterítve és térben ( a zöld molekula
egy aktiváló fehérje)
Az auto-inhibitoros
domén
Az aktiváló fehérje az un. 14-3-3 protein
Ha ehhez a Fusicoccum amygdali gomba toxinja, a fuzikokcin kapcsolódik,
aktív állapotban stabilizálja a H+- ATP-ázt
A V-ATPáz: a tonoplaszt
proton pumpája
A vakuólum membránban található proton-transzlokáló ATP-áz sok
fehérje alegységből áll, és úgy működik, mint egy rotor
A H+-pirofoszfatáz (V-PPáz)
a tonoplaszt második proton pumpája
Összefoglalva: Proton-transzlokáló ATP-áz molekulák találhatók
a plazmamembránon, a vakuólum membránon és az
endomembrán rendszerben
A kloroplasztiszban és a
mitokondriumban ATP
szintézis történik
Az ATP szintáz
„F0F1-ATPáz”
Az ATP szintáz
„F0F1-ATPáz”
Másodlagos aktív transzport
Uniport
Ko-transzport
szimport
antiport
A proton elektrokémiai
potenciálgrádiensében rejlő energia a
másodlagos aktív transzportban
hasznosul
Uniport (I), antiport (II) és szimport (III) a vakuolum
membránján, a tonoplaszton keresztül
A csatornák
Csatornákon keresztül történő transzport:
alapvetően passzív, a nyitódási mechanizmus függ a
membránpotenciáltól: feszültség-függő
csatornák
(pl. K+ influx csatorna, hiperpolarizációra nyílik;
K+ efflux csatorna, depolarizációra nyílik )
Ionfelvétel a gyökér sejtbe
A Michaelis-Menten kinetika
Anyagtranszport a gyökérben:
Molekuláris szint
•
• nagy affinitású rendszer: K+-H+ szimport (1:1)
•
cDNS klón HKT1 (534 aminosav protein)
•
μM [K+]ext tartományban
•
kortex sejtekben
•
alacsony affinitású rendszer: befelé
egyenirányító csatornák
•
1 mM [K+]ext fölött
•
Em-hajtotta K+ influx (H+-ATPáz!)
•
Al3+ ionok gátolják
Kálium csatorna
Micrograph of a patch pipette attached to the surface of a barley
aleurone cell protoplast. (Photo courtesy of J. Schroeder and D.
Bush.)
Ion channels in plants
Plasma membrane
-
1,4-Dihydropyridines
Ca2+
IP3
+
- Phenylakylamines
ER
Ca2+
Ca2+
Ca2+
+
Tonoplast
Ca2+
Cl-
Cl-
+
Vacuole
Ca2+
Cl-
K+
high G
+
Cytoplasm
Negative MP
Cl(stretch activated)
Thylakoid
low G
-
K+
K+ Cl-
Ca2+
Negative+
MP
+
K+
Ca2+
- Ca2+
Mg2+
K+
?
Ca2+
+
Ca2+
K+
K+
VDAC
H+
Mitochondrion
H+
A sztómazárósejt működésének szabályozási módjai
ABA
Ca2+ -függő
Vacuole
Kin
IP3
Ca2+cyt
K+
cADPR
Ca2+
Vm
VK
K+
SV
FV
K+
H+cyt
K+
Cytosol
Kout
Ca2+ -független
ABA
Csatornák: a sztómamozgás
regulációja
A gyökér kortex és xilémparenchima sejtek
Na+ transzportja
Fémion felvétel
•
•
•
Konstitutív vagy induktív transzport mechanizmusok, kis vagy nagy
affinitásúak a gyökérsejt plazmamembránon
HIPERAKKUMULÁTOR: konstitutívan overexpresszált
Normál növények: a gének fém-hiány esetén expresszálódnak
•
Fém akkumuláció:
– transzlokáció (xilém transzport!)
– Tárolás: (kelálás) a levélben (tolerancia!)
Különböző helyeken különböző transzportrendszerek
Megközelítés:
a fém-regulált gének izolálása és analízise hiperakkumulátorokból
proteóma analízis (2-D gélelfo + MS)
fitokelatin, kelátorok analízise
Fémtranszporterek növényekben
Hall JL, Williams LE (2004) J. Exp. Bot. 54: 2601-2613.
• Fe, Cu, Mn, Zn – esszenciális mikronutriensek
• Nehézfém ATPázok (heavy metal ATPases, HMAs, CPx-type ATPases, P-ATPases)
• I-V család, PIB típus a fém-transzporter, cisztein-prolin szekvenciákkal
• Monovalens (Cu+/Ag+) és divalens (Zn/Co/Cd/Pb) fémekre külön-külön
•
•
•
•
•
•
•
ABC transzporterek (ATP Binding Casette)
Nramps (Natural resistance associated macrophage proteins)
Kation-diffúzió facilitátorok (CDF, cation diffusion facilitator)
ZIP család (ZRT, IRT-like proteins): Fe, Zn, Mn, Cd transzport
Kation/H+ antiporterek: Ca, Na, Cd, Mn
Réz-transzporterek (Pl. COPT1)
Egyéb rendszerek: pl. ciklikus-nukleotida kontrollált csatornák, Pb, Ni
Fémtranszporterek növényekben
Hall JL, Williams LE (2004) J. Exp. Bot. 54: 2601-2613.
Thlaspi cearulescens: Zn/Cd hiperakkumulátor
Pence et al.: The molecular physiology of heavy metal transport…PNAS 97: 4956-4960 (2000)
• Zn transzport stimuláció a gyökérben, xilém
feltöltésben, levélben
– (a szenzitív Th. arvense-ben: kompartmentalizáció a
gyökérben (vakuolumban), nincs transzlokáció a hajtásba)
ZNT1: mikronutriens transzport gén család
(mint Arabidopsis IRT1 /Fe/ és ZIP /Zn/ transzporterek)
nagy affinitású Zn transzportert, kis affinitású Cd
transzportert kódol
Gyökérben is és hajtásban is erősen
expresszálódik
ZTP1 a levélben, ZTP3 a gyökérben
Northern blot
analízis (össz-RNS)
Ellentétes szabályozódás a
két fajban
A tápoldat Zn-konc.
hatása a génkifejeződésre
és a Zn-felvétel kinetikai
paraméterei
A Zn-transzporter gén
kifejeződése Thlaspi
cearulescens és T.
arvense fajokban.
A 2. sor az arvensehomológgal való
rehibridizációs kép
Arabidopsis thaliana
Thomine et al.: Cadmium and iron transport… PNAS 97: 4991-4996 (2000)
• ZAT1: állati és élesztő Zn-transzporterhez
hasonló
• ZIP géncsalád: mint IRT
• AtNramp: (natural resistance-associated macrophage protein)
Fe/Cd konstitutív transzporter
– (Nramp1: egér bakteriális szenzitivitás!
– EIN1: az etilén jelátviteli útban, transzport
funkció nélkül)
– AtNramp1, 3 fémhiánynál expresszálódnak
ABC (ATP Binding Casette) transzporterek
Rea et al.: From vacuolar GS-X pumps to multispecific ABC transporters.
Ann. Rev. Plant Physiol. Plant. Mol. Biol. 1988. 49: 727-760.
• Két alosztály:
• MDR (multidrug resistance gének), Arabidopsisban AtPgP1, AtMDR1, -2
• MRP (multidrug resistance associated proteins)
– Transzportált anyag: alkaloidok, lipidek, peptidek, szteroidok, cukrok,
szervetlen anionok és kelált nehézfémek, herbicidek
Motívumok és domének (minden ABC transzporter):
– Egy vagy két integrális transzmembrán domén (TMD)
– Egy vagy két ATP kötő domén (NBF, nucleotide binding fold) – ez a
legkonzervatívabb szakasz
Moduláris felépítés: 2 NBF és 2 TMD külön-külön, vagy mint
multidoménes protein expresszálódnak
Vakuoláris GS-X pumpák: a GSH-függő detoxifikálás eszközei
Egy ABC transzporter a vakuolum membránban (tonoplasztban)
Rea et al.: From vacuolar GS-X pumps to multispecific ABC transporters.
Ann. Rev. Plant Physiol. Plant. Mol. Biol. 1988. 49: 727-760.
A vas és a réz felvétele
A Zn tárolása a búza embrió Ec proteinjén
növényi igazi metallotionein (I. típusú)
Esettanulmányok
• - a búza (nem sótűrő, nem fémakkumuláló)
• - nád és gyékény (rizofiltrációs, gyökérágyas
eljárásban alkalmazható)
• - Thlaspi goesingense = osztrák tarsóka
(hiperakkumuláló)
Köszönöm a figyelmet!