5. Fotosyntetická fixace CO 2

5. Fotosyntetická fixace CO 2 Calvinův cyklus, Rubisco, fotorespirace Jako podklad z části využita prezentace: Carbon-Fixing Reactions of Photosynthesis http://www.plantcell.org/content/28/7/tpc.116.tt0716/tab-figures-data Propojení světelných reakcí fotosyntézy a fixace uhlíku

Calvinův cyklus 3 fáze: 1) Karboxylace 2) Redukce 3) Regenerace Využití energie NADPH a ATP cca 80%!!! Klíčové reakce Calvinova cyklu

Regenerace RuBP Jak z C3 udělat C5? Aldoláza (3+3, 3+4) Transketoláza (6-2, 7-2) Calvinův cyklus zdroj metabolitů - regulace osudu asimilátů: SBPase a FBPase (traskripčně) Raines, C.A. (2011). Increasing photosynthetic carbon assimilation in C 3 plants to improve crop yield: Current and future strategies. Plant Physiol. 155: 36-42.

Calvinův cyklus sdílí mnoho enzymů s pentózafosfátovým cyklem regulace! Aktivace enzymů Calvinova cyklu Světlo! = spuštění světelných reakcí fotosyntézy Signály: - zvýšení red./ox. forma ferredoxinu/thioredoxinu - zvýšení koncentrace Mg 2+ (z 1-3 na 3-6 mm) vyrovnávání elektrického gradientu vzniklého přenosem H+ při fotochemii - zvýšení ATP/ADP - zvýšení ph (z 7,2 na 8,0)

Aktivace enzymů Calvinova cyklu zvýšení red./ox. formy ferredoxinu - thioredoxinu (Cys-Gly-Pro-Cys) f, m, (x, y oxid. stres) Přímá aktivace: GAP dehydrogenase FruBP fosfatase SedoheptuloseBP fosfatase Fosforibulokinase Rubisco aktivase Rubisco ribulóza-1,5-bisfosfátkarboxyláza/ oxygenáza - až 50% rozp. bílkovin v listech - nejhojnější bílkovina na Zemi - pomalý enzym (jednotky CO 2 /s)! - u rostlin 16 podjednotek: - 8 velkých LSU (chloroplast) - 8 malých SSU (jádro) - základní katalytická jednotka = dimer LSU (2 místa, ale participace obou podjednotek! Tabita, F.R., Satagopan, S., Hanson, T.E., Kreel, N.E. and Scott, S.S. (2008). Distinct form I, II, III, and IV Rubisco proteins from the three kingdoms of life provide clues about Rubisco evolution and structure/function relationships. J. Exp. Bot. 59: 1515-1524by permission of Oxford University Press.

Rubisco Form I: podjednotky: 8 velkých (LSU, RbcL) (na nich 8 katalytických míst) kódovány a syntetizovány v chloroplastech) 8 malých podjednotek (SSU, RbcS) - regulační Form II: jen velké podjednotky: L2 purpurové b., dinoflageláty L10 Archea Rubisco - sestavení (folding) Chaperony, chaperoniny - spotřeba ATP Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Wilson, R. and Whitney, S (2015). Photosynthesis: Getting it together for CO2 fixation. Nature Plants 1:15130; See also Whitney, S.M., Houtz, R.L. and Alonso, H. (2011). Advancing our understanding and capacity to engineer Nature s CO 2-sequestering enzyme, Rubisco. Plant Physiol. 155: 27-35.

Rubisco nedokáže efektivně preferovat CO 2 před O 2 - katalytické místo otevřené - malé molekuly plynů - při fixaci HCO 3- nehrozí Reprinted with permission from Stec, B. (2012). Structural mechanism of RuBisCO activation by carbamylation of the active site lysine. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 102: 18785 18790. Karboxylázová a oxygenázová aktivita enzymu rubisco

Specifitní faktor rubisco spoluurčuje poměr rychlostí karboxylace x oxygenace (vyjadřuje afinitu k CO 2 a O 2, a maximální rychlosti obou reakcí) τ = V c. K o / V o. K c v c / v o = τ. [CO 2 ] / [O 2 ] (kompetující substráty) druhy ze suchých stanovišť zpravidla τ > druhy z vlhkých Vyšší rostliny 80-95 Zelené řasy 60-70 Rhodophyta 130-150 Chromophyta 100-110? Sinice 40-50 Purpurové anaer. bakt. 10-20 (form II rubisco) Gen. modifikace problémy: aktivita, podjednotky, aktiváza, Enzymy Rubisco se liší specificitou a rychlostí Shih P.M., Occhialini A., Cameron J.C., Andralojc P.J., Parry M.A.J.and Kerfeld C.A. (2016). Biochemical characterization of predicted Precambrian RuBisCO. Nat Commun 7: 10382. See also Whitney, S.M., Houtz, R.L. and Alonso, H. (2011). Advancing our understanding and capacity to engineer Nature s CO 2-sequestering enzyme, Rubisco. Plant Physiol. 155: 27-35.

Regulace aktivity Rubisco Transcription Assembly Reversible inhibition Transcription of small subunit genes in nuclear genome Transcriptio n of large subunit gene in plastid genome L 2 The 16-subunit holoenzyme is assembled sequentially and involves the contributions of several dedicated chaperone proteins L 8 L 8 S 8 Inactive Active Several inhibitory sugar phosphates bind to Rubisco. Inhibitor removal and enzyme activation tunes Rubisco activity to environmental conditions See Hauser, T., Popilka, L., Hartl, F.U., and Hayer-Hartl, M. (2015). Role of auxiliary proteins in Rubisco biogenesis and function. Nat. Plants 1: 15065; Wilson, R., and Whitney, S. (2015). Photosynthesis: Getting it together for CO 2 fixation. Nat. Plants 1: 15130. Aktivace rubisco: 1) Aktivázou (odstranění RuBP) - aktivace thioredoxinem a ATP 2) Karbamylací: napojení CO 2 a Mg 2+ Signál:zvýšení ph, zvýšení koncentrace Mg 2+ Kompetitivní inhibitor: Xylulose-bisP, popř. 2-karboxyarabinitol-1-fosfát (jen u některých druhů rostlin)

Aktivace Rubisco - karbamylace Enz Lys-NH 2 (inactive) AKTIVACE Lys-NH Enz Lys-NH-COO - Enz COO - Mg 2+ (active) Aktivní místo s karbamylovaným lysinem (K201X), Mg, a CABP (analog RuBP) Whitney, S.M., Houtz, R.L. and Alonso, H. (2011). Advancing our understanding and capacity to engineer Nature s CO 2-sequestering enzyme, Rubisco. Plant Physiol. 155: 27-35. Lorimer, G.H. and Miziorko, H.M. (1980). Carbamate formation on the.epsilon.-amino group of a lysyl residue as the basis for the activation of ribulosebisphosphate carboxylase by carbon dioxide and magnesium 2+. Biochemistry. 19: 5321-5328. Aktivace Rubisco - aktivázou Rubisco (E) Activating CO 2 + Mg 2+ Rubisco (active) (ECM) Carbon fixation Sugar phosphate inhibitors RCA Rubisco (inactive) (EI) Sugar phosphate inhibitors RCA Rubisco (inactive) (ECMI) XuBP (an isomer of RuBP) and CA1P are competitive inhibitors that bind tightly to Rubisco, inactivating it Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Wilson, R. and Whitney, S (2015). Photosynthesis: Getting it together for CO 2 fixation. Nature Plants 1:15130; Adapted from Hauser, T., Popilka, L., Hartl, F.U. and Hayer-Hartl, M. (2015). Role of auxiliary proteins in Rubisco biogenesis and function. Nature Plants. 1: 15065. See Mueller-Cajar, O., Stotz, M., Wendler, P., Hartl, F.U., Bracher, A. and Hayer-Hartl, M. (2011). Structure and function of the AAA+ protein CbbX, a red-type Rubisco activase. Nature. 479: 194-199.

Limitace fotosyntézy Vysoká [CO 2 ]: limitace regenerací RuBP (při vysoké teplotě fotochemií) Nízká a střední [CO 2 ]: limitace Rubisco (rychlost a oxygenázová aktivita) Reprinted with permission from Wiley from Sage, R.F., and Kubien, D.S. (2007). The temperature responses of C 3 and C 4 photosynthesis. Plant Cell Environ. 30: 1086 1106. Calvinův cyklus x fotorespirace Fotorespirace nižší poměr CO 2 : O 2 - vyšší ozářenost - rychlá fixace CO 2 - nedostatek vody - přivírání průduchů - vyšší teplota - změny rozpustnosti v neprospěch CO 2 - snížení specificity Rubisco - vyšší ztráty vody

Fotorespirace (glykolátová cesta) Spoluúčast tří organel! regenerace C3 (C2 + C2 CO 2 ) - ztráta energie, - uvolnění CO 2 - spotřeba O 2 Fotorespirace (glykolátová cesta) Glutamát:glyoxylát Aminotransferáza Serin:glyoxylát Aminotransferáza (obě AT nutné v poměru 1:1) Glycin dekarboxylázový komplex (folát kofaktor) NH 3 GS/GOGAT (!) (GS glutamin syntetáza, GOGAT glutamát syntáza =glutamin:2-oxo-glutarát aminotransferáza) Serin hydroxymethyl transferáza

Uvolnění CO 2 a NH 3 při fotorespiraci serine hydroxymethyltransferase (tetrahydrofolát) (SHMT) 2x Glycin Serin Glycin dekarboxylázový komplex (GDC) Hagemann, M., Kern, R., Maurino, V.G., Hanson, D.T., Weber, A.P.M., Sage, R.F. and Bauwe, H. (2016). Evolution of photorespiration from cyanobacteria to land plants, considering protein phylogenies and acquisition of carbon concentrating mechanisms. J. Exp. Bot. 67: 2963-2976. Glycin dekarboxylázový komplex Glycine CO2 GDC až 10% mitoch.protein ů (listy, světlo) GDC cyklus NH3 CH2

Význam fotorespirace: Hypotézy: 1. Ochrana před fotoinhibicí (?) reálně pomáhá disipovat (zavřené průduchy: fotorespirace využívá ATP i red. koenzymy) 2. Udržování poměru O 2 a CO 2 na citlivých místech buňky 3. Úloha v metabolismu N ALE: Pěstování rostlin při zvýšené konc. CO 2 : snížená nebo žádná fotorespirace bez negativního vlivu oxygenázová aktivita i u striktně anaerobních bakterií oxygenázová aktivita - nechtěný důsledek zvyšování konc. O 2 - evoluční past, souvisí s charakterem reakce (enediol) návazné reakce = sanace škod Alternativní cesty konverze glyoxylátu (u sinice Synechocystis) Peterhansel C., Horst I., Niessen M., Blume C., Kebeish R., Kürkcüoglu S., and Kreuzaler F. (2010) Photorespiration. The Arabidopsis Book 8:e0130. doi:10.1199/tab.0130