Transcript Calvin ciklus

Fotoszintézis III
A CO2 asszimilációja:
fixáció és redukció
1. A C-3-as fotoszintetikus szénredukció (Calvin ciklus)
Jelzett, H14CO3- adagolásával a széndioxid fixálás
elsődleges termékei kimutathatók
A Calvin ciklus 3 fő szakasza
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
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-3foszfát redukciójára
- regeneráció
a ribulóz-1,5-biszfoszfát-karboxiláz regenerálása:
6 glicerinsav-3-foszfát 3 ribulóz-1,5-biszfoszfát+1 triózfoszfát
Nyereség ciklusonként egy triózfoszfát!
RUBISCO
• Ribulóz-1,5-biszfoszfát-karboxilázoxigenáz a reakciót katalizáló enzim
• Kettős enzimaktivitású – karboxiláz és
oxigenáz (3:1)
• Kompetíció, ha mindkét szubsztrátum
jelen van.
A RUBISCO SZERKEZETE
L8S8 alegységek (56 kDa, kloroplasztisz; 14 kDa, sejtmag)
Rubisco: az oldható
fehérjék 40%-a.
N-raktár, a Föld
népességének minden
tagjára 20 kg jut…
Évente 200 milliárd tonna CO2-t
fixál
A Calvin ciklus,
részletesebben
1. A C-3-as fotoszintetikus szénredukció (Calvin ciklus)
i) Karboxiláció
ribulóz 1,5-biszfoszfát karboxiláz/oxigenáz (Rubisco)
L8S8 alegységek (56 kDa, kloroplaszt; 14 kDa, sejtmag)
Karboxiláz: ΔG, = -14.4 kcal mol-1
Rubisco affinitása a CO2-hoz nagy
Ru 1,5-biszfoszfát + CO2  intermedier  2,3-P-glicerát
ii) Redukció
- foszforiláció (+ATP)
- tényleges redukció (NADPH +H+)
gliceraldehid-3-P
iii) Regeneráció
6 mól G-3-P    3 mól Ru-1,5-diP + 1 C-3 a nyereség
• iv) Sztoichiometriák
a ciklusra:
5 RuBP + 5 CO2 + 9 H2O + 16 ATP + 10 NADPH 
6 RuBP + 14 HOPO32- + 6 H+ + 16 ADP + 10 NADP+
autokatalízis!
nettó:
6 CO2 + 11 H2O + 12 NADPH + 18 ATP 
1 Fruktóz-6-P + 12 NADP+ + 6 H+ +18 ADP + 17 Pi
azaz
2 mol NADPH + 3 mol ATP / 1 mol CO2
• v) Termodinamikai hatékonyság
Fény + sötét reakció : 33%
Csak a sötét reakció: 90 %
• vi) A ciklus szabályozása
- fényfüggő ionmozgások (H+/Mg2+ csere)
- a Rubisco aktivációja karbamát képzéssel
- thiol-alapú oxidációs-redukciós rendszer
- a trióz-P kompartmentalizációja
(kloroplasztisz/citoplazma)
A Calvin ciklus jelentősége
• Három pentózfoszfátból 3
molekula széndioxid
megkötésével 6 triózfoszfát
keletkezik
• A három pentózfoszfát
regenerálódik
• A 3 széndioxid molekulából
a nettó eredmény 1
exportálódó triózfoszfát
• Ez cukrok (szacharóz),
zsírsavak, aminosavak
szintézisére szolgál
• A folyamat során 9 ATP és 6
NADPH használódik fel
A Calvin ciklus számos enzimét a fényfüggő
ferredoxin-tioredoxin rendszer aktiválja
NADP: gliceraldehid-3foszfát dehidrogenáz
Fruktóz-1,6-biszfoszfát
foszfatáz
Szedoheptulóz-1,7biszfoszfát foszfatáz
Ribulóz-5-foszfát kináz
A C-2-es fotorespirációs (karbon oxidációs, glikolát)
ciklus
A Rubisco kettős
aktivitásának
következménye…
2. A C-2-es fotorespirációs (karbon oxidációs, glikolát)
ciklus
•
- a Rubisco oxigenáz aktivitása
következtében ("parazita")
•
- CO2/O2 koncentrációk,
hőmérséklet függő
•
- a kloroplasztisz, peroxiszóma és a
mitokondrium
közreműködésével
•
A.) A kloroplasztiszban:
•
Ru-1,5-BP + O2  2-P-glikolát + 3-P
glicerát
P-glikolát +
H2O  glikolát
•
•
• B.) A peroxiszómában (1):
•
glikolát + O2  glioxilát = H2O2
•
kataláz reakció
•
glioxalát + glutamát  glicin + α-ketoglutarát
• C.) A mitokondriumban:
•
glicin + NAD+ + H4-folát 
•
NADH + H+ + CO2 + NH3 + metilén H4-folát
•
metilén H4-folát + H2O + glicin  szerin + H4-folát
•
• D.) A peroxiszómában (2):
•
szerin + α-ketoglutarát  hidroxipiruvát + glutamát
•
hidroxipiruvát + NADH + H+  glicerát + NAD+
•
• E.) A kloroplasztiszban:
•
glicerát + ATP  3-P-glicerát + ADP + H+
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.
A kukoricalevél tipikus Kranz-anatómiája
3. A CO2 fixáció C-4-es útja (CO2 koncentráló
mechanizmus)
• - primér fixációs termék C-4 sav
(oxálecetsav)
• - foszfoenol-piruvát (PEP)
karboxilálódik (HCO3-)
• - a C-4-es és a C-3 ciklus térben
elválasztódik: speciális anatómia
(mezofill és hüvelyparenchima)
• - trópusi, szubtrópusi növényekben
• Az alapciklus lépései:
• i) PEP karboxiláció a MEZOFILL sejtek citoplazmájában
•
oxálecetsav  malát, aszpartát
•
• ii) A C-4 sav transzportja a HÜVELYPARENCHIMA-ba
• iii) A C-4 sav (almasav, aszparaginsav) dekarboxilációja
•
a CO2 fixációja a C-3-as ciklusban
• iv) A C-3 sav (piruvát, alanin) transzportja  MEZOFILL
• A dekarboxilációs mechanizmus alapján 3 típus:
•
• i) NADP-almasav enzim (NADP-ME, kloroplasztisz)
• ii) NAD-almasav enzim (NAD-ME, mitokondrium)
• iii) Foszfoenol-piruvát -karboxikináz (PEP-CK, citoplazma)
•
• A CO2 koncentrálódása 8-10-szeres a C-3-as levélhez képest
•
• Energiamérleg: + 2 ATP/ CO2; nyereség: nincs fotorespiráció
•
• Fény-regulált kulcsenzimek:
•
PEP karboxiláz
•
NADP-almasav dehidrogenáz (tioredoxin)
•
Piruvát-ortofoszfát-dikináz
A dekarboxilációs mechanizmus alapján 3 típus:
5. A szaharóz és a keményítő szintézise
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
•
kloroplasztban: tioredoxin
•
citoszólban: fruktóz-2,6-biszfoszfát
•
• keményítő: ADP-glukóz; szaharóz: UDP-glukóz
•
Trióz-P megoszlás: Pi/trióz-P transzlokátor (antiport)
•
Pi reguláló szerep
•
Regulátor a citoszólban: fruktóz-2,6-biszfoszfát
•
Fr-1,6-BP  Fr-6-P átalakulásnál (, inhibitor; , aktivátor)
A keményítő és szaharóz bioszintézis lépései
Fr2,6,biszfoszfát
gátlás
A cukorszintézis regulátora:
a fruktóz-2,6-biszfoszfát
Fotoszintézis IV.
A fotoszintézis élettani és
ökofiziológiai vonatkozásai
A fotoszintézis fiziológiai és
ökológiai vonatkozásai
Limitáló környezeti tényezők:
fény, CO2, hőmérséklet
-legfontosabb metabolikus lépések:
Rubisco aktivitás
a RuBP regenerációja
trióz-P metabolizmus
A jobb fénykihasználást szolgálja a kloroplasztiszok mozgása is
A „szűrőhatás”
Felülnézetből: (a) árnyékban; (b) átlagos fényintenzitáson; (c)
fénystressznél
A fotoszintetikus apparátus komponenseinek
aránya erős és gyenge fényben
A fotoszintézis intenzitása a fényintenzitással növekszik: a
kompenzációs pontnál a légzés CO2 termelése egyenlő a
fotoszintézis CO2 fogyasztásával
Nagy fényintenzitás (fénystressz) esetén reaktív
oxigén formák keletkeznek, ami degradálja a
fotoszintetikus apparátust: fénygátlás
A széndioxid
• Biokémiai reakciói a parciális nyomástól
(mólfrakció x
össznyomás) függenek
•
- az üvegház hatás
•
-kutikula (átjárhatatlan)
•
-gáz fázis: sztómanyílás
•
sztóma alatti üreg
•
sejtközötti légterek
•
- folyadék fázis: sejtfal, citoszól, kloroplasztisz
•
limitáló tényező: a sztómaellenállás (regulálható!)
C3-as és C4-es növények fotoszintézise a külső és az
intercelluláris tér CO2 koncentrációjának függvényében
A C4-es növények fotoszintetikus hatékonyságának
hőmérsékleti optimuma magasabb értéknél található, mint a
C3-as növényeké
A floem transzport
• Malpighi, 1686.
gyűrűzés
A floem legfontosabb elemei:
- rosta elemek
rostacső elem (zárvatermők) → rostacső
rostasejt (nyitvatermők)
- kísérősejtek (funkcionális kísérők)
zárvatermők: egy anyasejt utódai
közönséges kísérősejt,
transzfer sejtek, intermedier sejtek
nyitvatermők: nem egy anyasejt utódai
albuminos sejtek
- floem parenchima, rostsejtek, latexet tartalmazó sejtek
A rostacső elemek
élő sejtek
• Nincs:
sejtmag, tonoplaszt,
mikrotubulusok,
mikrofilamentumok, Golgi
apparátus,
riboszóma
• Van:
PM, mitokondrium,
degenerált plasztiszok,
sima ER
P-protein
A kísérősejtek típusai
Transzfer sejt
Intermedier sejt
Közönséges kísérősejt
Anatómiai és fejlődésélettani alapelvek a transzlokáció
útvonalának kialakulásában
Közeli pozíció:
felső, érett levél → csúcs
alsó, érett levél → gyökér
A felhasználóhely fontossága:
merisztéma → váltás →
gyümölcs
Közvetlen nyalábösszeköttetés:
egymás alatti, fölötti
szervek
vertikális sorok →
ortosztichia
Flexibilitás: anasztomózisok,
alternatív utak
A floemnedv anyagai és analízisének
módszerei
A floemnedv gyűjtésének módszerei
• Hipokotil átvágása: ricinus
pozitív nyomás
kallóz szintáz gátlása
(EDTA)
Hátrány:
kevés fajnál
működik,
sebzés hatása
• Levéltetvek szipókáin
keresztül
Vizes oldat
Cukrok: . nem
redukálók
szacharóz:
(~1 M!)
raffinóz sor
Cukoralkoholok:
mannitol
Aminosavak:
Glu, Gln
N-fixálók: amidok,
ureidek
Hormonok
Nem:
Ca2+, Fe2+,
NO3-, SO42-
A floem feltöltődése: a kloroplasztisztól a rostaelemig:
rövid távú transzport
1. lépés: triózfoszfát
kilépése a
kloroplasztiszból a
citoszolba, szacharóz
szintézis
2. lépés: a szacharóz
transzportja a
mezofillumsejtektől a
rostacső elemekig
3. lépés: a
rostacsőelem
feltöltése
A feltöltődés mechanizmusai:
szállítás hosszú távon
1. Apoplasztikus út
a. / passzív diffúzió
b./ aktív transzport
- ATP-áz a
kísérősejtek és a
rostacső elemek
PM-jén
- proton-szacharóz
kotranszport
- (SUC2; SUT1)
- általános
A szacharóz leadása a floemből és átalakulása a
felhasználóhelyeken
A floemtranszport mechanizmusa
Münch hipotézise,
tömegáramlási
modell:
Feltételek:
-folyamatos út a
rostalemez pórusain
-nincs kétirányú
transzport egy
rostacső elemben
-alacsony
energiaigény
-pozitív
nyomásgrádiens