el cloroplasto

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dirección web del DEPARTAMENTO DE BIOQUIMICA
VEGETAL Y BIOLOGIA MOLECULAR
http://www.us.es/dbiovege/
Web de la American Association of Plant Biology
http://www.aspb.org/
http://www.aspb.org/publications/arabidopsis/
Base de datos de Arabidopsis
http://arabidopsis.org/
EL CLOROPLASTO
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Introducción
Tipos de plastidios
Diferenciación
División
Elgenoma
cloroplastídico
– Estructura
– genes
LA CÉLULA VEGETAL
LA PARED CELULAR, LA MEMBRANA PLASMÁTICA
Y LOS PLASMODESMOS
RETICULO
ENDOPLÁSMICO
NUCLEO Y NUCLEOLO
PEROXISOMA
Actividad carboxilasa
ribulosa-1,5-bi-P + CO2
2 3-P-glicerato
Actividad oxigenasa
ribulosa-1,5-bi-P + O2
3-P-glicerato + 2-P-glicolato
FOTORRESPIRACIÓN
EL CLOROPLASTO
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Introducción
Tipos de plastidios
Diferenciación
División
Elgenoma
cloroplastídico
– Estructura
– genes
PROPLASTIDIO
PROPLASTIDIO
amiloplasto
cromoplasto
EL CLOROPLASTO
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Introducción
Tipos de plastidios
Diferenciación
División
Elgenoma cloroplastídico
– Expresión génica
– Regulación
DIFERENCIACIÓN DE PLASTIDIOS
etioplasto
PR: prolamellar body (75% lípidos)
protoclorofilida
desarrollo de granas
LUZ
tilacoides
clorofila
cloroplasto maduro
ORIGEN ENDOSIMBIONTE DEL CLOROPLASTO
1 de cada 16000 gametos
algas rojas
Glaucocystophytes (Cyanophora)
algas verdes
plantas
Otros grupos de algas:
Chlorarachnion (con nucleomorfo)
Euglena
Guillardia (con nucleomorfo)
Emiliania
Laminaria
EL CLOROPLASTO
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Introducción
Tipos de plastidios
Diferenciación
División
Elgenoma cloroplastídico
– Expresión génica
– Regulación
División de plastidios (etioplastos)
Figure 1. Dividing and Mature Plastids in Arabidopsis.
(A) Dividing proplastid from a cell in the shoot apical meristem.
(B) to (D) Division conformations of epidermal cell chloroplasts stained with silver nitrate from young expanding cotyledons.
(E) Typical chloroplast in early division, from an expanding leaf mesophyll cell.
(F) Confocal topographic view of dumbbell-shaped plastids in the base of petals in the Arabidopsis arc5 mutant.
(G) A mature Arabidopsis mesophyll cell showing part of the monolayer of chloroplasts over the internal cell surface with a large hole in
the monolayer representing where the cell was previously attached to a neighboring cell.
(H) An electron micrograph of arc5 petal chloroplasts showing an electron-dense plastid dividing ring at the narrow isthmus of a chloroplast
in division (photograph courtesy of K. Hagley).
DRP: dynamn related proteins
wt
RNAi FtsZ1
RNAi FtsZ2
RNAi MinD
RNAi ARC5
FtsZ1
FtsZ2
ARC6
ARC5
Figure 4. Phenotypes of Transgenic Plants Expressing Antisense Constructs of AtFtsZ1-1 or AtFtsZ2-1.
Tissue from the first leaves of 23-day-old plants was prepared for visualization of individual mesophyll cells by using
Nomarski interference contrast optics, as described by Pyke and Leech 1991 .
(A) and (B) Cells from transgenic plants expressing the AtFtsZ1-1 antisense gene.
(C) and (D) Cells from transgenic plants expressing the AtFtsZ2-1 antisense gene.
(E) and (F) Cells from wild-type Arabidopsis.
EL CLOROPLASTO
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Introducción
Tipos de plastidios
Diferenciación
División
Elgenoma
cloroplastídico
– Estructura
– genes
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/PMGifs/Genomes/euk_o.html
La replicación del DNA cloroplastídico no está acoplada
a la replicación del genoma nuclear
EL CLOROPLASTO
• Fotosíntesis
- Introducción
- El aparato
fotosintético
- State transition
El aparato fotosintético
PSII
PSI
Interconexión entre granas y lumen tilacoidal
State transition
EL CLOROPLASTO
• Biotecnología
- Transformación
- Obtención de
mutantes
The elimination of marker genes using the CRE-lox site specific recombination system in plastids. In this example, the transplastome contains the marker gene aadA flanked by lox
sites (arrowheads). The gene of interest (goi) that was introduced by selection for the marker gene is shown in blue. Introduction of cre (a) by Agrobacterium transformation or (b)
by crossing results in expression of the CRE site-specific recombinase from the nuclear cre gene. The CRE is plastid targeted, and will simultaneously excise the marker gene from
all the plastid genome copies. In the experiment described in [16], the gene to keep (i.e. the goi) was aadA and the gene to remove was codA, a negative selectable marker. In
[30], the gene to be eliminated was aadA and the gene to keep was gfp (encoding GFP). Presence of cre and the linked kanamycin-resistance (neo) gene in the nuclear genome
are indicated by c and n, respectively; their absence by a ‘+’. T0 refers to transgenic plants regenerated from tissue culture; T1 and T2 are the first and second generation progeny
of T0 produced by self pollination.
Table 1 Foreign genes successfully expressed to date from higher plant plastid genomes
Gene(s) Gene product and gene source
Function
aadA
Aminoglycoside 3''-adenylyltransferase from E. coli
Positive selectable marker (spectinomycin
and streptomycin resistance)
nptII
Neomycin phosphotransferase from Tn 5
Positive selectable marker (kanamycin)
resistance
uidA
Glucuronidase (GUS) from E. coli
Reporter of gene expression
gfp
Green fluorescent protein (GFP) from Aequorea victoria
(Vital) reporter of gene expression
cry1A
Crystal toxin from Bacillus thuringiensis
Insecticidal protein (protoxin
cry2A
Crystal toxin from Bacillus thuringiensis
Insecticidal protein (protoxin
Crystal toxin, ORF1 and ORF2 (putative chaperonin)
proteins from Bacillus thuringiensis
Cytosine deaminase from E. coli
Insecticidal protein (protoxin)
cry2Aa2
operon
codA
Negative selectable marker
(5-fluorocytosine sensitivity)
Herbicide tolerance (glyphosate)
EPSPS
5-Enol-pyruvyl shikimate-3-phosphate synthase from
Petunia hybrida or from eubacterial species
bar
Phosphinothricin acetyltransferase from Streptomyces
hygroscopicus
Herbicide resistance (glufosinate)
hST
Human somatotropin
Therapeutic protein (human growth hormone)
EL CLOROPLASTO
• Expresión genica
• Regulación
transcripcional
• Regulación posttranscripcional
• Transformación
nucleares
plastídicas
NEP
PEP
(nuclear encoded RNA polymerase)
RpoZ
(plastid encoded RNA polymerase)
rpoA, rpoB, rpoC1, rpoC2
Genes no fotosintéticos
Genes fotosintéticos
rpoB
rpoC1
rpoC2
NEP promotor
NEP
PEP
núcleo
PEP promotores
cloroplasto
Genes plastídicos pueden tener múltiples promotores
atpB-atpE codifican dos subunidades de la ATP sintasa
Elevada regulación transcripcional de los promotores plastídicos:
- distintos promotores activos
- regulación de la intensidad de un promotor
Fuerte regulación transcripcional por factores ambientales (luz)
EL CLOROPLASTO
• Expresión genica
• Regulación
transcripcional
• Regulación posttranscripcional
- splicing
- traducción
Estructura típica de un mRNA maduro del cloroplasto
Procesamiento de los rRNAs plastídicos
Trans-splicing
E1
E2
cromosoma cloroplasto
E3
psaA de Chlamydomonas
E1
E3
E2
E1
E2
E3
EL CLOROPLASTO
• Expresión genica
• Regulación
transcripcional
• Regulación posttranscripcional
- splicing
- traducción
- El DNA del cloroplasto codifica ~ 50-100 proteínas, además de rRNAs y tRNAs
- La mayoría de las proteínas participan en la fotosíntesis o en transcripción y traducción
- Muchas de las proteínas codificadas en el cloroplasto funcionan en complejos
oligoméricos que contienen subunidades que provienen tanto del genoma nuclear
como del cloroplasto, como es el caso de la Rubisco
Rubisco
Diferencias entre la traducción citosólica y plastídica
bacterias
citoplasma
Inicio de traducción en Euglena gracilis
Translocación co-traduccional
Polisomas libres: producen proteínas en el estroma, que son dirigidas a sus destinos
Polisomas asociados a membrana: producen proteínas que son insertadas
directamente en la membrana (proteínas del aparato fotosintético en las
membranas tilacoidales)
Subunidad grande
de la Rubisco
Ensamblaje de la Rubisco
Regulación del ensamblaje de la Rubisco
La luz como regulador principal del desarrollo del cloroplasto
Band-shift assay
(retardo en gel)
La luz como regulador traduccional
psbA (D1 protein)
cPDI: chloroplast protein disulfide isomerase
cPABP: chloroplast polyadenylate-binding protein
Regulación de la síntesis de proteínas por la disponibilidad de cofactores
Modelo para la inserción co-traduccional de cofactores en la proteína D1
Regulación de la síntesis
y ensamblaje del PSII
EL CLOROPLASTO
• Transporte de proteínas
–
–
–
–
–
–
Método de ensayo
Peptido de transito
Maquinaria
Envuelta externa
Sistema tilacoidal
Ensamble de complejos
thight binding: < 50 µM
translocation: > 0.1 mM
Péptido de tránstito
20-150 aa
TOC159, TOC34: GTP-binding protein
TOC75: translocation channel
TIC55: Rieske-type Fe-S centre
AtToc159, -132 y -120 interaccionan con el cloroplasto y con TOC34
wt
5 dias
etioplasto
5 dias cloroplasto
4 semanas
ppi1
Inserción de proteínas en la membrana tilacoidal
SRP (signal recognition particle)
TOC75
TIC22
TIC20
Bibliografía
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American Society of Plant Physiologists
- Zerges W. Does complexity constrain organelle evolution? Trends Plant Sci. 2002 Apr;7(4):175-82.
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- Bruce BD. Chloroplast transit peptides: structure, function and evolution. Trends Cell Biol.
2000 Oct;10(10):440-7.
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- Jarvis and Robinson. Mechanisms of protein import and routing in chloroplasts. Curr Biol. 2004
Dec 29;14(24):R1064-77.
- May and Soll. Chloroplast precursor protein translocon. FEBS Lett. 1999 Jun 4;452(1-2):52-6.
- Zerges W. Translation in chloroplasts. Biochimie. 2000 Jun-Jul;82(6-7):583-601.
- Rodermel S. Pathways of plastid-to-nucleus signaling. Trends Plant Sci. 2001 Oct;6(10):471-8.
- Maliga P. Plastid transformation in higher plants. Annu Rev Plant Biol. 2004;55:289-313.
- Osteryoung and Nunnari. The division of endosymbiotic organelles. Science. 2003 Dec 5;302(5651):1698-704.
- Osteryoung and Pyke. Plastid division: evidence for a prokaryotically derived mechanism. Curr Opin
Plant Biol. 1998 Dec;1(6):475-9.
- Timmis JN et al. Endosymbiotic gene transfer: organelle genomes forge eukaryotic chromosomes.
Nat Rev Genet. 2004 Feb;5(2):123-35.
- Archibald and Keeling. Recycled plastids: a 'green movement' in eukaryotic evolution.
Trends Genet. 2002 Nov;18(11):577-84.