Göteborg 2012-09-13 Hej! Jag ber verkligen om ursäkt för att jag inte kunde hålla föreläsningen igår. (Det har aldrig hänt mig förut och jag har föreläst sen sent 70-tal ) Jag skrev igår ner ungefär vad jag skulle sagt till mina PP-bilder och idag på fm har jag läst igenom och lagt in lite luft, så att det inte blir 7 helt kompakta sidor. Siffrorna hänvisar till PP-sidornas nummer; en pdf-version ligger på GUL, så att ni ser texter o bilder tydligare än i materialet ni fick ut. I föreläsningsmaterialet ligger dessutom några frågor ni skulle fått fundera lite över underföreläsningen. På föreläsningen hade jag visat facit direkt, men här ligger de i en separat fil, för att ge chans till test av kunskaperna. Gå gärna igenom materialet några stycken tillsammans och hjälps åt med frågorna! Lycka till med läsning och tenta! Anna Stina Sandelius 1. Hej! Jag ska prata om energimetaolism i växtceller. Jag kommer att jämföra med det ni haft tidigare, dvs djurceller. Mina PP-bilder innehåller mycket text, eftersom jag pga reumatism vissa dagar har svårt att skriva på tavlan. Men också för att Alberts och Stryer innehåller väldigt lite information om växter. Jag har lagt en PP-bild med översikt och hänvisningar till de få Albertssidor som finns, på slutet. 2. I förmiddags gick Henrik igenom fotosyntesen med er, det här är en väldigt enkel sammanfattning av att fotosyntesens ljusreaktion producerar syrgas, ATP och NADPH och att de senare två förbrukas i reduktionen av koldioxid till kolhydrater (Calvincykeln). Men ATP o NADPH används till mycket mer i kloroplasten! 3. Några av de andra reaktioner som ATP och NADPH används till är reduktion av nitrit till aminosyrabundet kväve och av sulfat till aminosyrabundet svavel. Kolreduktionen i fettsyrasyntesen kommer jag tillbaka till senare. Jag börjar med ödet av glyceraldehyd-3-fosfaten (G3P) som bildats i Calvincykeln och fortsätter med kväve och fosfat. 4. Om vi utgår från att 3 st C5-föreningar tar upp 3 koldioxid och reduceras till 6 st C3- föreningar, behöver 5 av dem återanvändas för att skapa 3 st C5 som kan karboxyleras och reduceras igen. Den 6e C3-föreningen är vinsten av cykeln och den kan antingen bygga upp stärkelse i kloroplasten eller exporteras till cytosolen. 5. 2 st glyceraldehyd-3-fosfat ger 1 glukos-1-fosfat, som aktiveras av ATP till ADP-glukos. Dessa länkas antingen till helt raka kedjor amylos eller till grenade kedjor, amylopektin. Amylos och amylopektin ansamlas i en kropp, som brukar kallas stärkelsekorn.
6. Stärkelsekorn i en kloroplast syns tydligt på elektronmikroskopibilden. Djur som vi själva lagrar en grenad glukospolymerer, kallas glykogen. Glykogen lagras som korn i cytosolen, främst i lever- och muskelceller. Kloroplastens stärkelse byggs upp under dagen de dagar fotosyntesen kan fungera i alla fall hyffsat bra (sol, tillgång till vatten). När ljusreaktionen inte fungerar, bryts stärkelsen ner och den bildade glukosen (eller glukos-1-fosfat) transporteras ut till cytosolen. Stärkelsemängden varierar alltså med tid på dygnet; på mornarna brukar det finnas ingen eller ytterst lite stärkelse i kloroplasterna, medan det finns stora stärkelsekorn framåt kvällen. 7. Det är flera enzymer som är inblandade i nedbrytningen av stärkelse i kloroplaster. Nedbrytningen av stärkelsekorn startas av α-amylas och β-amylas, som båda hydrolyserar av 2 sammanhängande glukosenheter i taget, denna sockerart kallas maltos. Båda angriper både amylos och amylopektin, men skillnaden är att α-amylas kan hydrolysera bindningar närmare förgreningsställena i amylopektin. Förgreningarna bryts av limit dextrinas som lämnar raka kedjor som kan fortsätta brytas ner av amylaserna. Malat klyvs till glukos av enzymet α-glucosidas. 8. Om fosfathalten är hög i kloroplasten (t ex under natten då ATP inte har kunnat bildats från ADP och fosfat), kan raka stärkelsekedjor hydrolyseras av enzymet stärkelsefosforylas, som dock inte kan starta nedbrytningen av stärkelsekorn. Produkten blir glukos-1-fosfat. 9. som jämförelse och som ni lärt er på tidigare föreläsning under kursen, så bryts glukogen ner till glukos-1-fosfat av ett fosforylas, som inte kan hydrolysera glykogenet nära greningsställena. 4 igen: Det var stärkelse; det andra alternativet är export av G3P. Men OBS att kloroplasten inte håller på och räknar att var 6e G3P omväxlande ska bilda stärkelse respektive transporteras bort; under morgonen en dag när fotosyntesförhållandena är bra, återcyklas kanske allt för att bygga upp en större pool av ribulos-1,5-bisfosfat, föreningen som karboxyleras. Under dagen bibehålls C5-poolen så länge det är effektivt och i genomsnitt var 6e G3P exporteras. Frampå eftermiddag/kväll, kan en större andel exporteras medan C5- poolen minskar något. Detta för att understryka VARIATIONEN i reaktioner! 10. Men tillbaka till G3P-exporten: I kloroplastens inre envelopmembran finns triosfosfattranslokatörer som transporterar ut en G3P samtidigt som en fosfat tas in. På detta sätt bibehålls poolen av P som behövs för ATPsyntes.
KOLL 1 Varför exporterar kloroplasten G3P till cytosolen (och glukosfosfat på natten)??? Jag har lagt in en cell-bild för att påminna om hur växtcellen utanför kloroplasten ser ut. Snacka med bänkgrannen och försök komma på så många rimliga anledningar som möjligt! Ni får tre min på er! KOLL 1 FACIT (När de tre minuterna gått samlar jag ihop svaren/förslagen och skriver upp dem på tavlan. Sedan visar jag FACIT [som nu ligger i egen fil]) De följande bilderna tar upp dessa olika öden för G3P. 11. G3P används för att ge energi till metabolismen utanför kloroplasten! I cytosolen går den in i glykolysen varvid ATP och NADH bildas och som ni också vet sen tidigare, leder detta via mitokondriens aktiviteter till ytterligare produktion av ATP 12. G3P går in i glykolysen efter det ATP-förbrukande steget; figurens phosphoglyceraldehyd är samma sak som G3P. OBS att bland det sista jag tar upp under min dubbelföreläsning är att växters mitokondrier har ytterligare några ingångar för elektroner från NADH och FAD; komplettera gärna bilden senare! 13. G3P ingår som byggsten! En stor andel går in i syntesen av glukos-1-fosfat, som i sin tur aktiveras till UDP-glukos som är substrat för syntes av cellväggens cellulosa. Andra molekyler som innehåller kolhydrater är som exempel de andra kolhydraterna i cellväggen och nukleinsyror. G3P går även in i fettsyntesen genom att omvandlas till glycerol-3-fosfat, som är backbone i fosfolipider och fetter (triglycerider). + mycket annat; mycket innehåller C!!! 14. G3P är substrat för syntes av sukros. Sukros är en disackarid (glukos+fruktos) och är lagrings- och transportform för kolhydrater i växter (vi transporterar glukos i blodet, men växter transporterar sukros). Sukros lagras i vakuoler, mestadels i rötter och frukter, och är reservnäring. 15. Sucros diffunderar till grannceller genom plasmodesmata, kanaler mellan celler (de går alltså genom cellväggen; Henrik tog upp dem under vårkursen). Därigenom kan ickefotosyntetiserande celler i bladet försörjas med kolhydrater (t ex cellerna i epidermis hudvävnaden som i de flesta fall saknar kloroplaster). Sukros transporteras även till delar av växten som inte kan försörja sig fotosyntetiskt, som stammar/stjälkar, rötter och unga skott som inte utvecklat färdigt sin fotosyntesförmåga. Den långväga transporten sker i floemet (del av ledningsvävnaden i växter).
16. Transportriktningen bestäms av behovet. Termerna när man diskuterar transport i floemet i växter är source (källa) och sink (förbrukningsställe). I tillägg till sinkarna jag nämnde förut rötter, stammar/stjälkar och unga skott är frön och frukter viktiga sinkar. Fotografierna visar två exempel på rötter som lagrar näring under första året, näring som ska användas till blomning och frösättning andra året. På detta sätt säkerställer växterna att det i alla fall blir några frön/frukter, även om en av växtsäsongerna skulle vara sämre än vanligt. Vi nyttjar denna strategi hos dem genom att skörda rötterna efter första säsongen 17. I sinkarna kan sukrosen lagras som sukros i vakuolerna, som i sockerbetor, där långvarig urvalsförädling resulterat i sorter som lagrar mycket sukros. I potatisen spjälkas sukrosen till glukos och fruktos som omvandlas till glukos-1-fosfat, som tas upp av potatiscellernas plastider och bygger upp stärkelse.(plastiderna i potatisar och andra stärkelselagrande växtdelar kallas amyloplaster.) När det gäller morötter, brukar de smaka sötare tidigare på säsongen än senare, då mer socker hunnit metaboliseras till stärkelse i plastiderna. Även här har urvalsförädling tagit fram olika sorter, för tidig konsumtion med viss sötma respektive morötter som har lägre sockerhalt och tål längre lagring. Men OBS att all sukros inte lagras! Den används också för att ge energi och som grund till byggstenar! Det är rötterna som tar upp mineralnäring ur jorden (t ex nitrat, fosfat, sulfat, järnjoner m fl) och upptaget kostar energi. Och rötterna tillväxer hela växtsäsongen; det behövs cellväggsmaterial, membranmaterial! Och mycket annat! 18. Så nattetid i bladen och hela dygnet i resten av växten, så bryts stärkelse och sukros ned för att ge energi och byggstenar! OBS att stärkelsen i figuren både finns i bladens kloroplaster och i andra ställens andra plastider och att sukros lagras i vakuoler. KOLL 1 FACIT Hade jag visat här igen, som sammanfattning! 3 igen (KOLL 2 visar samma) Det var kol. Nu går jag in på reduktionen av kväve och svavel. KOLL 2 Varför reduceras C, N o S just i kloroplaster? Dvs vad behöver reduceringarna som finns i just kloroplaster bara energi räcker inte riktigt! Snacka med grannen om detta, ni får 2 minuter! Ni kanske behöver tänka tillbaka på Henriks föreläsning i förmiddags KOLL FACIT Här hade jag först frågat om svar och antecknat på tavlan, sedan hade jag visat PP-bilden och vid behov gått igenom den ytterligare. Facit ligger i facitfilen
19. Kväve och svavel ingår i aminosyror och i en mängd andra föreningar. Kvävet i t ex nukleinsyror, alkaloider, klorofyll och några av växtens hormoner. Alkaloider är samlingsnamn för kväveinnehållande försvarsämnen som bildas av växter, olika växter bildar olika alkaloider. Svavel ingår förutom i amnosyrer även i glukosinolater, som också är försvarsämnen. De flesta mineralnäringsämnena tar växter upp och använder i den oxiderade form de förekommer i markvätskan, som kaliumjoner, fosfatjoner, kalciumjoner mm. Men kväve och svavel tas upp som joner i oxiderad form som reduceras innan de ingår i molekyler som de jag nämnt (se 19). 20. Kväve tas upp som nitrat (i sura jordar som ammoniumjoner). I figuren är det ritat att nitrat tas upp tillsammans med en proton. OBS för att detta ska kunna ske, måste växten pumpa ut protoner från cytosolen till omgivningen; protonpumpningen kostar ATP! - Skriv gärna in det i figuren! Kvävet som behövs i rötterna stannar där, medan kvävet som behövs i andra delar av växten transporteras som nitrat tillsammans med vatten i xylemet. 21. Det kväve som stannar i rotceller, kan lagras som nitrat i vakuoler, ifall roten redan är väl försörjd med kväve. Om inte, så reduceras nitrat till nitrit. Det sker i cytosolen och varifrån kommer NADH som behövs? Just det, t ex från glykolysen. 22. Nitrit transporteras in till plastiden (amyloplast eller annan slags plastid) och reduceras ytterligare till aminosyrabundet kväve (ammonium ritat i bilden för att åskådliggöra reduktionen). Amid är detsamma som aminosyra och dessa kan användas för proteinsyntes i plastiden eller exporteras till cytosolen (gäller merparten). Huvuddelen används för proteinsyntes i rotcellen, men de kan även exporteras till andra delar av växten. 23. Nitratjoner som transporteras via xylemet, tas upp i mottagarceller, även här kostar samtransporten med protoner ATP (skriv gärna in det!). Nitratjonerna kan lagras i vakuolen eller reduceras till nitrit i cytosolen, före upptag till kloroplasten (om det handlar om en bladcell). I kloroplasten reduceras nitritjoner till aminosyrabundet kväve, men här är inte NADPH elektrondonator, utan Ferredoxin. (här hade jag lagt in FACIT 2 igen)
23 forts Här tas alltså elektronerna direkt ifrån en elektronbärare i fotosyntesens ljusreaktion, i stället för att elektronerna går vidare till reduktion av NADP! 24. När det gäller svavel, så hittade jag bara figur som visar vad som händer i bladceller, men lagring i vakuoler och sulfatreduktion i rotplastider sker analogt med vad som gäller för nitrat. Liksom för nitratupptag, kräver sulfatupptag samupptag med protoner, dvs det har kostat rotcellen ATP för att pumpa ut de protoner som tas upp igen. OK, bladet: Sulfatjoner kan lagras i vakuoler eller importeras till kloroplaster. Där reduceras sulfatjonen stegvis till aminosyrabundet S2-; det frisätts INTE svavelväte! (Växter luktar godare än så!). Det krävs ATP och elektroner som kommer från först thioredoxin och därefter ferredoxin. Thioredoxin är ett litet redoxprotein som förekommer i alla organismer, på flera ställen i cellerna. I kloroplasten återreduceras oxiderat thioredoxin av NADPH. 25. Som jag nämnde tidigare, ingår svavel även i andra föreningar än aminosyror. Ett exempel är glukosinolater, som hos växter fungerar som försvarsämnen. Glukosinolater förekommer i bladcellers cytosol och ett enzym som bryter ned det finns i vakuolen. När ett glukosinolatinnehållande blad skadas (tuggas!), blandas glukosinolat och enzym och ett skarpt smakande ämne bildas. Exemplet här gäller vitlök, där glukosinolaten alliin lagras i cellernas cytosol. Hackad eller tuggad vitlök blandar glukosinolaten med enzym och smakämnet allicin bildas. När vitlök (hel eller hackad) värms upp, förstörs enzymet innan det hunnit ha (för mycket av) sin effekt. Andelen svavelhaltiga aminosyror i vetemjölsproteiner har stor betydelse för mjölets bakningsegenskaper, bilden längst ned visar bröd som bakats med mjöl vars proteiner har låg, mellan respektive hög halt svavelinnehållande aminosyror. 26. Bilden visar hur syntesen av aminosyror nyttjar produkten av Calvincykeln, G3P, och intermediärer i Calvincykeln. Aminosyrasyntes sker i både plastider och cytosol 27. och i cytosolen kommer kolskeletten (C4, C5) från oxidativa pentosfosfatcykeln. 28. I blad fungerar enzymet rubisco som en aminosyrareserv, men i övriga växten och i fröer bildas speciella lagringsproteiner. Bilden är lite otydlig när det gäller globulinerna; vakulen fylls med proteiner och ibland kan den dela upp sig till flera proteinlagrande vakuoler, men proteinerna passerar inte igenom en vakuol för att bilda proteinkroppar; proteinkroppen är här omsluten av vakuolmembranet. När det gäller lagringsproteiner i växter, tänker man kanske först på fröer; alla fröer lagrar i alla fall lite protein, som starthjälp när fröet gror. Andra fröer lagrar en stor del av sin reservnäring som proteiner, som sädesslagen och ärt/bön-växter. En viktig proteinlagring äger rum när fleråriga växters blad vissnar på hösten. Vissnandet innebär först att rubisco bryts ned följt av andra proteiner, både lösliga och allra sist membranbundna i organellerna. Aminosyrorna transporteras i floemet in till stammen (träd)
28 forts eller roten (örter som vissnar ovan jord) och här bygger aminosyrorna upp lagringsproteiner, så att aminosyrorna finns tillgängliga nästa säsong. 29. Från kolhydrater och proteiner till fett! Eller lipider, som det ofta heter i akademiska sammanhang. Syntesen av fettsyror innebär också en kolreduktion (markerat med ljusgult), så det är väl inte förvånande att fettsyrasyntes sker i plastider i växter hos oss sker den i cytosolen. Startmolekylen är acetyl-coenzyma, och i växter förlängs fettsyran under syntesens gång fastsatt på ett protein ACP, acyl carrier protein 30. Här är en schematisk bild över lipidsyntes i växter. FAS står för fatty acid synthase, samlingsnamn för de ingående enzymerna. Och acyl och fettsyra är samma sak. ACP acyl carrier protein är för stort för att ta sig ut från kloroplasten, vid export tar sig fettsyran igenom envelopen och fäster på coenzyma i cytosolen. Detta gör fettsyran vattenlöslig. När två fettsyror acyleras till glycerol-3-fosfat, bildas phosphatidinsyra förkortat PA som defosforyleras till diacylglycerol DAG. Reaktionerna sker i endoplasmanätverket ER och dessa två molekyler utgör startmolekyler för syntes av cellens fosfolipider, då olika polära huvuden byggs på. Men DAG kan även acyleras med ytterligare en fettsyra och bilda TAG triacylglycerol som brukar kallas triglycerid eller fett. 31. TAG är opolär och kan därför inte medverka i uppbyggnaden av lipiddubbellagret i ERmembranet utan löser sig bland membranlipidernas fettsyror det svarta på bilden är TAG. Efterhand som TAG ansamlas attraheras ett protein, oleosin, till membranhalvan som avgränsar TAGgen från cytosolen. Så småningom avknoppas oljekroppar oil bodies, fat droplets; det finns många fler namn! det är stabilare än om TAGgen varit kvar i ERmembranet. Växter lagrar fett triglycerider främst i fröer, som reservnäring vid groningen. Men även i vävnader runt fröet (avokado, oliver som exempel) och ibland i vegetativ vävnad. Växtfetter är kommersiellt mycket viktiga produkter. I de flesta fall är de flytande (olivolja, rapsolja mm) men även fasta fetter förekommer (kokos, kakao). Förutom de fettsyror som även förekommer i membranlipider, finns en uppsjö fettsyror som bara förekommer i TAG; korta fettsyror, oxiderade fettsyror mm mm. Hitills har växt-tag huvudsakligen använts i livsmedel och som substrat i t ex tillverkning av hudvårdande produkter (krämer, tvål), men de får allt fler användningsområden (tekniska oljor av olika slag, bränsle) och genteknisk forskning är mycket aktiv för att förändra växter till att framställa triglycerider med speciella, industriellt önskvärda fettsyror. 32. Här är en jämförelse mellan växter och djur vad gäller syntes och lagring av fetter. Vilka skillnader och likheter finns? LIKEHTER SKILLNADER Fettsyrasyntes: samma substrat o produkter Fettsyrasyntes: olika lokalisering TAG-syntes: samma substrat o produkter TAG-syntes: samma lokalisering TAG: samma slags lagring
33. Fettnedbrytning i växter sker i samverkan mellan glyoxisomer (ett slags microbodies) och mitokondrier. Nedbrytningen startar genom att fettsyror hydrolyseras från TAG. Fettsyrorna tas in till glyoxisomen där de går in i β-oxidationen 34. Detta innebär stegvis avknoppning av C2-enheter (som acetyl-coa) och reducering av FAD och NAD till FADH och NADH 33 igen. Acetyl-CoA går in i glyoxisomens glyoxalatcykel, vilket leder till bildning av succinat. Succinat tas in i mitokondrien och med hjälp av en del av citronsyracykelns enzymer bildas oxaloacetat, FADH och NADH. Oxaloacetaten exporteras till cytosolen och ombildas (m hj av ATP) till PEP, som sedan via glukoneogenes kan ge hexoser eller andra sockerarter. Alltså: från fett i fröceller till t ex sukros som kan transporteras till de nybildade cellerna när fröet gror! 35. β-oxidation av fettsyror sker hos oss (och andra eukaryoter!) i mitokondrier och peroxisomer. Alltså i andra organeller än hos växter. I mitokondrien bildas FADH och NADH, som går vidare till mitokondriens elektrontransport för ATP-syntes. I peroxisomen oxideras FADH och NADH; vad bildas??? Svar: värme. Så fettsyranedbrytningen använder samma process - β-oxidation i växter och djur, men olika lokalisering och (delvis) olika slutprodukter. 36. Det finns fler skillnader mellan växt- och djurmitokondrier! Pyruvat tas upp av båda, medan malat bara tas upp av växtmitokondrier. 37 Och elektrontransportkedjan är mer komplex i växtmitokondrier! Det finns ytterligare en ingång för elektroner från NADH på matrixsidan av membranet och ett NAD(P)H-dehydrogenas mot mellanmembranutrymmet, dvs cytosolen - eftersom det yttre membranet är genomsläppligt för NAD(P)H. Dessutom finns ett unikt protein: ett alternativt oxidas, där elektroner från ubiquinon kan överföras till sygas. Det bildas vatten och 2/3-delar av protonpumpningskapaciteten går förlorad. Alltså en kortslutning av elektrontransportkedjan. Vad används energin till i stället för att pumpa protoner? Ni får 30 sekunder för konferns med grannen! Just det, värme! När kan växter behöva värme? Inte för att ha det allmänt mysigt eller för att t ex smälta snö om man är en krokus, men några växter använder sig av mitokondriernas förmåga till värmeutveckling för att öka fortplantningsmöjligheten.
38. Två exempel finns i Botaniska trädgården. Kaktusen nattens drottning växer i växthuset. Den blommar (högst) en gång per år, och på kvällen/natten doftar blomman starkt av vanilj. Vaniljdoften lockar pollinerare! För att frisätta doften, kopplas det alternativa oxidaset på och områdena inuti blomman där vaniljmolekylerna lagras värms upp, så att vaniljmolekylerna förångas. Det andra exemplet är skunkkalla. I Botaniska trädgården växer den till höger om den asfalterade gången, vid bäcken, precis när gången går in i rhodedendronskogen på väg till klippträdgården. Blomningen sker i maj (har jag för mig!!!) och här kopplas det alternativa oxidaset på flera dagar under dagtid. Doftämnena som förångas luktar skunk! Doften brukar anges som ruttet kött om man nu vet hur det luktar i alla fall luktar det illa. Skunkkallan pollineras av flugor. Så ta er till Botan nästa vår och njut av mer än skunkkallan medan ni är där! Ni behöver inte vänta till dess, det är en fin plats! 39 En sammanfattning av syntesen av makromolekyler. 40 Och en överblick av vad jag gått igenom idag, med de få hänvisningar till Alberts jag hittat. KOLL 3 Min fråga på ordinarie tentan förra året (facit separat ) Jag beklagar att ni fick föreskrivning i stället och maila frågor i god tid!