20. POGLAVJE: OGLJIKOVI HIDRATI Flashcards
(19 cards)
ASIMILACIJA CO2 V RASTLINAH
Delitev organizmov glede na vir ogljika
- celuloza je komponenta celične stene
- zaloga energije v obliki škroba
- rastline nimajo žil, po floemu se prenaša saharoza – manj reaktivna (ne uporabljajo glukoze za
transport) - ATP in NADPH se porabljata, rastline lahko CO2 fiksirajo v obliki trioza fosfatov (avtotrofi)
1. heterotrofi (npr. ljudje) ne moremo fiksirati CO2
Delitev organizmov glede na vir ogljika
* avtotrofne (samooskrbujoče) - edini virogljika je atmosferski ogljikov dioksid , sonce pa je vir energije
fotosintetske bakterije, rastline
* heterotrofne (hranijo se z drugimi organizmi), vir ogljika so kompleksne organske spojine
živali in večina mikroorganizmov
Kje poteka asimilacija CO2?
Asimilacija CO2 poteka v plastidih
* organele, ki jih najdemo v rastlinah in algah
* imajo dvojno membrano
* imajo svoj genom (majhen, nepopolen)
-endosimbioza; del genoma je prisoten v genomu gostitelja
* notranja membrana ne prepušča ionov, kot npr. H+ ter polarnih in nabitih organskih molekul
Izvor in diferenciacija plastidov
* plastidi so nastali v evoluciji, ko je prišlo do endosimbioze med zgodnjimi evkarioti in fotosintetskimi cianobakterijami
* plastidi se razmnožujejo nespolno z binarno delitvijo
* nediferencirani protoplastidi v rastlinah se lahko diferencirajo v različne tipe, ki imajo različne funkcije
-kloroplasti za fotosintezo
-amiloplasti za skladiščenje škroba
-kromoplasti za skladiščenje pigmentov
-laioplasti za skladiščenje lipidov
-proteinoplasti za skladiščenje proteinov
* diferenciacija poteka glede na potrebe
-iz protoplastida se razvije delno razvit plastid iz katerega se lahko razvije npr. kloroplast
-lahko pride do dediferenciacije nazaj do proplastida
Asimilacija CO2
* asimilacija ogljikovega dioksida poteka v stromi kloroplastov v cikličnem procesu, ki ga imenujemo Calvinov cikel
* ključni intermediat, ribuloza 1,5-bisfosfat, se v ciklu stalno regenerira. Pri tem se porablja energija v obliki ATP
* ključni encim je ribuloza 1,5-bisfosfat-karboksilaza/ oksigenaza (Rubisco)
* končni rezultat je redukcija CO2 z NADPH, ki je nastal v svetlobnih reakcijah fotosinteze
-iz CO2 dobimo trioze iz katerih se sintetizirajo druge heksoze
-saharoza se porabi tudi za tvorbo novih rastlinskih celic
V reakcijah svetlobne faze fotosinteze dobimo ATP in NADPH
- v reakcijah odvisnih od svetlobe dobimo gradient in ATP
- elektroni izvirajo iz vode, ki se oksidira
- dobimo tudi NADPH
- oboje dobimo v stromi (kisel pH)
Calvinov cikel
- poteka v stromi
- imamo 3 faze, vse skupaj je asimilacija CO2
1. faza je fiksacija CO2
2. faza je redukcija 3-fosfoglicerata,
3. faza je regeneracija ribuloze 1,5-bisfosfata - substrat je ogljikov dioksid
- iz 3 molekul dobimo 1 molekulo produkta gliceraldehid 3-fosfata (5 molekul pa porabimo za regeneracijo – 3 ribuloze 1,5-bisfosfat)
Struktura in funkcija Rubisco
- Rubisco je encim, ki vsebuje Mg2+ in katalizira adicijo CO2 ter s tem tvorbo novih C-C vezi
-magnezij omogoča asimilacijo CO2 z ribulozo 1,5-bisfosfatom - oblika I (rastline): 8x velika podenota (kodirana v plastomu) + 8x mala podenota (kodirana v genomu gostitelja – evolucijsko prenašanje informacij)
- fiksira 3 molekule CO2 na sekundo (počasi), zato rabijo rastline veliko tega encima (50% topnega proteina v kloroplastih)
- na Zemlji je od vseh encimov največ Rubisca
- ima dvojno funkcijo: karboksilaza in oksigenaza
-počasen encim - aktivno mesto: karbamiliran lizin (lizin, ki ima pripeto karboksilno skupino – povzroči aktivacijo rubisca)
- koordinacija Mg iona in veliko drugih neg. nabitih AK
- fosfata na ribulozi omogočata specifično postavitev substrata
- korak
* Ribuloza 1,5-bisfosfat vstopi v že aktiviran encim Rubisco
* Tvori se enediolatni intermediat (dvojna vez med C atomoma)
* Elektronski par napade molekulo CO2ja - korak
* Tvorba vezi
* V reakcijo vstopi voda - korak
* Voda napade karbonilni C atom
* Pride do hidroksilacije, dobimo OH skupino
* Dobimo nestabilno razvejano
heksozo - korak
* Pride do cepitve CC vezi, dobimo 3-fosfoglicerat, ki je prvi produkt reakcije
* 2. del abstrahira proton iz ene baze, ki je v katalitičnem mestu - korak
* Dobimo še drugi produkt, ki se odcepi iz katalitičnega mesta
Katalitična vloga Mg2+ v Rubisco
* Mg2+ držijo v aktivnem mestu stranske skupine:
o glutamata,
o aspartata,
o karbamil-lizina (dokler je navaden lizin, ne pride do reakcije)
* Mg2+ drži skupaj pravilno orientirane reaktante in stabilizira negativni naboj, ki nastane po nukleofilnem napadu enediolata na CO2
Rubisco se aktivira s kovalentno modifikacijo lizina v aktivnem mestu
* aktivacija poteče pod vplivom rubisco aktivaze
* rubisco aktivaza porabi eno molekulo ATPja da odstrani ribulozo 1,5- bisfosfat iz aktivnega mesta
* povzroči karbamilacijo lizina (vezava karboksilne skupine na lizin), kar posledično omogoči, da magnezij pride na aktivno mesto
* to privede do aktivne oblike rubisca
kadar je tema ni magnezija
ko je svetloba je
Sinteza gliceraldehid-3-fosfata
Calvinov cikel
- po treh krogih Calvinovega cikla se fiksirajo tri molekule CO2 in sintetizira se ena molekula 3-fosfoglicerata
- iz pentoze in CO2 dobimo 2 fosfoglicerata
- poteči morajo 3 cikli da dobimo neto 1 molekulo produkta
- redukcija 3-fosfoglicerata v gliceraldehid 3-fosfat (karboksilna -> aldehidna skupina)
- porabimo 6 ATPjev in 6 NADPHjev in na koncu še 3
- Skupaj 9 ATPjev
Usoda gliceraldehid-3-fosfata
- pretvori se v škrob v kloroplastih
- pretvori se v saharozo za “izvoz”
- reciklira se v ribulozo-1,5-bisfosfat
- gliceraldehid 3-fosfat se lahko izomerizira v dihidroksiaceton fosfat, ki se lahko prenese preko trioza fosfatnega antiporterja v citosol
- tam lahko vstopi v glukoneogenezo, ki privede do saharoze (glukoza in fruktoza)
- v stromi se lahko porabi za sintezo škroba (shramba v koreninah ali semenih, transportira se v obliki saharoze)
Pretvorbe trioza-fosfatov in pentoza- fosfatov (3. faza)
- ribuloza 1,5-bisfosfat se regenerira v tretji fazi Calvinovega cikla
5 trioz —(aldolaze)—> 3 pentoze
- v reakcije vstopa 5 trioz (transketolazne reakcije), sodelujejo pa tudi aldolaze (iz trioze in pentoze lahko tvorijo daljša saharide)
- tega se ne rabiš na pamet učit
Regeneracija ribuloze 1,5-bisfosfata
* iz riboze (aldoza) moramo dobiti ribulozo (ketoza)
* za kalvinov cikel moramo ribulozo 5-fosfat pretvoriti v ribulozo 1,5-bisfosfat
Transketolazna reakcija
Transketolazna reakcija
- 3 + 6 -> 9 -> 4 + 5
- ketoza je donor, aldoza je akceptor
- reakcijo katalizirajo transketolaze, ki imajo v aktivnem mestu tiamin pirofosfat
- iz aldoze nastane nova ketoza, iz ketoze pa je nastala za 2 C atoma zmanjšana aldoza
- to je splošna shema; na izpitu lahko dobiš konkreten primer, moraš vedet kaj nastane, ne rabiš pa poimenovat
zgornja dva C se iz ketoze (6C) preneseta na aldozo(3C)(dobimo ketozo z 5 C)
povzetek Calvinovega cikla
prenos produkta
- dobimo 3 ribuloze 1,5-bisfosfat
- vstopila je voda in 3 CO2 ji
- iztopil je gliceraldehid 3-fosfat
porabimo skupno 9 ATP in 6 NADPH - produkt se iz kloroplasta prenese v obliki dihidroksiaceton fosfata, ki se pretvori naprej s fruktozo in sukrozo
- zravem se prenese tudi fosfat, ki pa ga je potrebno nadomestiti
- sodeluje trioza fosfatni antiporter, ki poskri, da gre en fosfat vedno nazaj noter
- toliko ATPjev kot smo porabili jih tudi dobimo s fotosintezo nazaj
- rastlina proizvaja ATP in NADPH v stromi, potrebuje pa jih tudi v citosolu
- dihidroksiaceton fosfat lahko porabimo, oksidiramo ga in dobimo NADH
- 1,3-bisfosfoglicerat pa lahko pretvorimo v 3-fosfoglicerat in dobimo ATP
- efektivno prenašanje iz strome v citosol in nazaj
Regulacija Calvinovega cikla
Vpliv svetlobe
* ko na neko rastlino sveti svetloba, se ustvarja protonski gradient v lumnu tilakoid
* protoni se črpajo
* v tilakoidah (nizek pH) je veliko magezija, ko pridejo protoni noter, to aktivira prenos magnezija v stromo (bazičen pH), rubisco se lahko aktivira
* tudi reakcije Calvinovega cikla so regulirane s svetlobo!
* sprememba pH ja vpliva tudi na fruktozo 1,6-bisfosfatazo
-je bolj aktivna, ko je pH višji in ko je koncentracija magnezija večja
Štirje encimi Calvinovega cikla se posredno aktivirajo s svetlobo
* ribuloza-5-fosfat-kinaza
* fruktoza-1,6-bisfosfataza
* sedoheptuloza1,7-bisfosfataza
* gliceraldehid3-fosfatdehidrogenaza
- te encimi imajo po dva cisteina v katalitičnem mestu
- ko poteka fotosinteza je elektronov dovolj, da reducirajo tioredoksin
- tioredoksin reducira neaktivno obliko enzimov, dobimo aktiven encim (ko sveti svetloba!)
- ko je temno, se nazaj oksidirajo, dobimo neaktivno obliko
FOTORESPIRACIJA
fotosinteza/celično dihanje
* rastline oksidirajo vodo v O2 in reducirajo CO2 v ogljikove hidrate med fotosintezo
* rastline imajo mitohondrije, kjer poteka navadno celično dihanje in se O2 porablja (kadar ni svetlobe)
fotorespiracija
* potratna stranska reakcija, ki jo katalizira Rubisco
* v tej reakciji fotorespiracije se troši kisik, namesto da bi se fiksiral CO2
* reakcija je posledica nespecifičnosti Rubisco
* Oksigenaza je posledica tega, da rubisco včasih fiksira kisik namesto CO2
* Rubisco ni grozno specifičen
Oksigenazna aktivnost Rubisco
- reaktivni nukleofil v reakciji, ki jo katalizira Rubisco je z elektroni bogata enediolna oblika ribuloze 1,5-bisfosfata
- v aktivno mesto se namesto CO2 lahko veže tudi O2
- Mg2+ stabilizira hidroperoksi anion, ki se tvori s prenosom elektronov od enediola na kisik
- Nastane enadiolna oblika, vstopi kisik
- To povzroči razpad intermediata na 2-fosfoglikolat (problematičen!) in 3-fosfoglicerat
- 2-fosfoglikolat mora rastlina predelati v spojino, ki se ponovno lahko veže v Calvinov cikel
Oksigenazna aktivnost Rubisco
Reakcije 2-fosfoglikolata
- ATP se porabi pri pretvorbi C2 fragmentov, ki nastanejo pri fotorespiraciji
- v peroksisomih poteče oksidacija glikolata z molekularnim kisikom in nastane H2O2
- pri nadaljnji mitohondrijski dekarboksilaciji glicina se en ogljik sprosti v obliki CO2
- neto energijska bilanca je poraba enega ATP (ni ugodno, potratno)
- Kisik se fiksira v fotosintetskih celicah, nastane 2-fosfoglikolat
- 2-fosfoglikolat se najprej defosforilira in se prenese v peroksisom
- V peroksisomu glikolna kisla oksidaza oksidira glikolat v glioksilat
- Iz glioksilata s transaminacijo dobimo glicin
- Glicin se lahko transportira v mitohonrdije
- 2 glicina se združita, glicin dekarboksilaza povzroči nastanek serina (se prenese nazaj v peroksisome)
- S transaminacijo serina nastane hidroksipiruvat, ki se reducira (porabi se NADH), dobimo glicerat
- Glicerat gre nazaj v fotosintetske celice, kjer se fosforilira, dobimo nazaj 3-fosfoglicerat
Rubisco v C3 rastlinah pride v stik s kisikom
C4 rastline
- rastline, ki asimilirajo raztopljen CO2 v listih v triogljične- 3-fosfoglicerate se imenujejo C3 rastline (nastanek trioz)
- atmosfero sestavlja 21% kisika in 0.038% ogljikovega dioksida
bolj toplo: več kisika raztopljenega kot CO2
* večkrat pride do potratne reakcije fotorespiracije v toplejših krajih
Ločeno zajemanje CO2 in Rubisco reakcije v C4 rastlinah
* mnoge tropske rastline se izognejo potratni fotorespiraciji s fizično ločenim zbiranjem CO2 in Rubisco reakcijo
* CO2 se najprej fiksira v oksaloacetat (C4) v celicah mezofila
* CO2 se transportira v celice, ki so ločene od celic mezofila in v katerih je Rubisco
* lokalna koncentracija CO2 je v teh celicah mnogo višja kot koncentracija O2
- v fotosintetskih celicah ni rubisca, encim ki sodeluje pri fiksaciji je fosfoenolpiruvat karboksilaza (zelo specifična), dobimo oksaloacetat (C4 – C4 rastline)
- oksaliacetat se reducira v malat, ki se prenese v celice žilnega ovoja, kjer se nazaj dekarboksilira (dobimo CO2) do piruvata, ki gre nazaj v plazmodezmatske celice
- rubisco lahko fiksira CO2 brez potratnih reakcij (energijsko gledano je bolj potratna, je pa bolj univerzalna, ni problemov s temperaturo, manj korakov)
BIOSINTEZA DRUGIH MAKROMOLEKUL IZ GLUKOZE
Biosinteza škroba
Kar je viška glukoze, se porabi za shranjevanje za slabe čase.
Biosinteza škroba
* rastline shranjujejo OH večinoma v obliki škroba
* škrob je mešanica amilaze (polimer glukoze povezane z 1,4 alfa glikozidnimi vezmi) in amilopektina (poleg 1,4 alfa glikozidnih vezi (kot pri glikogenu) ima še 1,6 alfa glikozidne vezi)
* škrob se shrani v plastidih (npr v amiloplastih), rastline jih shranjujejo na različnih koncih
- glukozo je potrebno aktivirati
- aktivna oblika glukoze (ADP glukoza) sodeluje v reakciji, ki jo katalizira škrobna sintaza (2 AK v katalitičnem mestu)
- elektronski par napade ADP glukozo (2 glukozi; na vsaki AK nastane kovalentni intermediat)
- OH skupina glukoze na mestu 4 napade prejšnjo glukozo na drugem katalitičnem mestu, veriga se podaljša za eno enoto
- tretja glukoza se lahko veže, nato četrta…. dobivamo vedno daljši in daljši polimer amiloze, izmenično se limajo te glukoze
- glikozilna transferaza pa prenese nastajajočo verigo in ustvari 1,6 glikozidno vez -> dobimo amilopektin iz amiloze
- ADP glukoza se sintetizira, ko je dovolj svetlobe
- 3-fosfoglicerat je direktni alosterični aktivator nastanka ADP glukoze in posledično škroba
- v citosolu rastlineske celice NI pirofosfataze (v naših celicah omogoči razgranjo pirofosfata – irreverzibilna reakcija)
- tukaj pirofosfat ostane, zato je reakcija reverzbilina (glukoza 1-fosfat nastaja v temi, inhibira ADP glukoza fosforilazo)
Biosinteza saharoze
- saharoza je za rastline ključna, saj jo uporabljajo za transport OH po različnih delih rastline
- reakcijo katalizira saharoza 6-fosfat sintaza, ki povzroči nastanek glikozidne vezi med 1 in 2 C atomom glukoze in fruktoze, UDP je dobra izstopajoča skupina
- disaharid je manj reaktiven kot glukoza
- pri naslednjem koraku katalizator ponovno povzroči odcep fosfata -> nastane saharoza (dobra molekula za transport v rastlinah)
Biosinteza celuloze
- celuloza je polimer glukoze
- nastane beta 1,4 glikozidna vez
- mikrofibrili (celulozna vlakna) so sestavljeni iz celuloznih verig
- veliko OH skupin in protonov, lahko se tvorijo vodikove vezi -> rastlinam dajejo oporo in trdnost
- ljudje ne moremo razgraditi celuloze, ker nimamo beta 1,4 glikozidaznega encima, ki bi razgradil vez (prežvelkovalci pa to imajo)
- v rastlinskem lipidnem dvosloju je kompleks celulozna sintaza, ki je povezan s saharozno sintazo
- sinteza naj bi se začela na sitosterolu, kamor se veže prva glukoza
- saharoza sintaza lahko iz glukoze in fruktoze sintetizira saharozo ali pa razgrajuje saharozo
- glukoza se preko celulozne sintaze dodaja na rastočo verigo (beta 1,4 glikozidne vezi)
- celulozna sintaza je heksamer (po 6 vlaken se sintetizira na enkrat, vzpostavljajo se vodikove vezi)
- pod elektronskim mikroskopom lahko opazujemo heksamere
- sintetizira se celična stena (zaščita pred osmoznim šokom + mehanska trdnost)
- mikrotubuli usmerjajo nastanek celuloznih vlaken
celična stena pri bakterijah
* gram pozitivne in gram negativne bakterije imajo celično steno iz peptidoglikana
* celična stena jih zaščiti (pred osmoznimi šoki)
* encimi, ki sodelujejo pri tvorbi so dobra tarča za antibiotike -> bakterija je izpostavljena
* saharidi so največkrat enacetilglukozamin in enacetilmuraminska kislina
* je veliko prečnih povezovalcev, kjer AK ustvarijo povezave med posameznimi vlakni (vlakna imajo beta 1,4 glikozidne vezi)
* določene AK so tudi D aminokisline (nimamo encimov za razgradnjo)
REGULACIJA GLUKONEOGENEZE IN GLIKOLIZE V RASTLINAH
tema
* Ko je tema in ni fotosinteze, ni fiksacije CO2
* potekala naj bi glikoliza, s čimer se OH porabljajo, ATP se proizvaja (škrob se razgrajuje)
* zagotovljeno preko fruktoze 2,6-bisfosfata (poglavitni alosterični regulator encimov pri glukoneogenezi in glikolizi)
* kopiči se anorganski fosfat, ki aktivira fosfoftuktokinazo 2 – ključen encim, ki dela iz fruktoze 6-fosfata fruktoza 2,6-
bisfosfat (nastaja v temi)
* fruktoza 2,6-bisfosfat aktivira fosfofruktokinazo 1, ki je ključen encim glikolize à poteka glikoliza in razgradnja glukoze, pridobiva se energija z oksidatovno fosforilacijo
svetloba
* ko je veliko svetlobe, je aktivna fotosinteza
* nastaja 3-fosfoglicerat, izomeraza naredi dihidroksiaceton fosfat (oba inhibirata fosfofruktokinazo 2 -> fruktoza 2,6- bisfosfat ne nastaja (negativni alosterični regulator fruktoza bisfosfataze)
* poteka glukoneogeneza (imamo dovolj trioz in energije)
