Co se děje v produkční buňce ??

Nobel, 1991

Jsou zde transportní procesy, které ovlivňují chování produkční buňky a následný transport mimo buňku ??

Regulace související s transportními ději ??

Zdrojová buňka

Zdrojová buňka

Transport a distribuce sacharidů v produkční Transport a distribuce sacharidů v produkční mezofylové mezofylové (zdrojové) buňce(zdrojové) buňceRychlost fotosyntézy - řízena poptávkou po produktu

Inhibice fotosyntézy při nadbytku produktů má-li být rychlost fotosyntézy vysoká --- nutnost odvodu produktů:

odvod ze zdrojového listu floémem (aktivita SE/CC)

odvod z produkující buňky – do jiné buňky

do apolastu

odvod z chloroplastu

Alokace uvnitř zdrojové buňky

syntéza sacharózy

Trióza-PRegenerace intermediátů

Syntéza škrobu

Transport z chloroplastuMobilizace

Trióza-PRegenerace intermediátů

Syntéza škrobu

Transport z chloroplastuMobilizace ch

loro

pla

st

cyto

sol

metabolický pool

transportní pool

skladovací pool

Mezofylová buňka dospělého listu fazolu obsahuje 30-40 chloroplastů 3,5. 109 chloroplastů /100 cm2 listové plochy

112 mg glukózy/ 10 hod……….. což je 1,3x více než váží chloroplasty samy

syntéza škrobu v chloroplastu ukládání do vakuoly

Starch (formers) Starch (formers) accumulatorsaccumulators (Rostliny přednostně akumulující škrob)

pufrování poolu cukrů pro export a utilizaci v buňce

Sucrose (formers) Sucrose (formers) accumulatorsaccumulators(Rostliny přednostně akumulující sacharózu)

Fructan accumulators

(Rostliny přednostně akumulující fruktany)

chloroplast

trióza -P

F-6-P

vakuola

S-P

hexózy

sacharózaškrob

S

Zdrojová buňka

Ukládání do vakuoly Kromě sacharózy transportovány i hexózy, sorbitol, manitol, myo-inositol,

jak difúzí, tak aktivním transportem

Př.:Př.:

hexózy

Rozdělování trióza-P mezi chloroplast a Rozdělování trióza-P mezi chloroplast a cytosolcytosolPriorita: udržení konstantního toku asimilátů

Fruktóza 1,6 bis-P

ADPG

Calvinův cyklus

Trióza-P Trióza-P Pi

Sacharóza 6-PPi

Pi

Pi

Škrob Sacharóza

Fruktóza 6-P

UDPG

Zdrojová buňka

Zdrojová buňka

Př.:Př.: Transgenní rostliny bramboru: vnesení cDNA TPT pod 35CaMV promotorem v antisense orientaci

Redukce syntézy mRNA TPT redukce obsahu proteinu o 20-30% snížení transportní kapacity

V časných fázích trpasličí fenotyp, později při nižších hladinách ozářenosti:

0 ovlivnění rychlosti fotosyntézy

-“- celkového nárůstu biomasy

-“- výnosu hlíz

ALE ! Výrazné ovlivnění rozdělování asimilátů

Sacharóza

Škrob

Ukládání škrobu ve dne:Původní typ: 40% asimilátů – škrob Transformant: 60-80% asimilátů - škrob

Mobilizace škrobu v noci:

75% transportu probíhajícího ve dne

150-250% -“-

Původní typ : Transformant

V noci kompenzace transportu z chloroplastu transportem glukózy (maltózy)

Inhibice fotosyntézy

Nízká konc. Pi

Role koncentrace PiRole koncentrace Pi

F-1,6 bis-P

ADPG

Calvinův cyklus

Trióza-P Trióza-P

S- 6-P

Škrob Sacharóza

F- 6-P

UDPG

PiPiPi

Zdrojová buňka

Inhibice fotosyntézy

Vysoká konc. Pi

Nízká konc. Pi

Role koncentrace PiRole koncentrace Pi

F-1,6 bis-P

ADPG

Calvinův cyklus

Trióza-P Trióza-P

S- 6-P

Škrob Sacharóza

F- 6-P

UDPG

PiPiPi

X

F-1,6 bis-P

ADPG

Calvinův cyklus

Trióza-P Trióza-P

S- 6-P

Škrob Sacharóza

F- 6-P

UDPG

PiPiPi

Inhibice fotosyntézy

Zdrojová buňka

Rouached et al., 2010

Regulace dostupnosti Pi

•PHR1 : PHOSPHATE STARVATION RESPONSE 1

Syntéza sacharózy a škrobu v mezofylové Syntéza sacharózy a škrobu v mezofylové buňcebuňce

cytosol

Škrob

ADP

glykolýza

Trióza-PTrióza-P

PiFruktóza 1,6 bis-

P

Sacharóza 6-P

Sacharóza

ADPGázaGlukóza

1-P

UDP-Glukóza

ATP Pi

Pi

PPi

Fruktóza 6-P Fruktóza 2,6 bis-P

kináza

fosfatáza

pentóz. cyklusGlukóza 6-P

UTP

PPi

SPSlowSPShigh

kináza

fosfatáza

chloroplast

Fruktóza 6-P

Fruktóza 1,6 bis-P

Glukóza 1-P

ATP

PPi

ADP-Glukóza

FFK- fosfofruktokináza

FBF- fruktózabisfosfátfosfatáza

FFF- PPi- dependentní fosfofruktokináza

Zdrojová buňka

Podle : Kruger and Ratcliffe, 2012

Metabolické dráhy a toky

Regulace syntézy sacharózy v Regulace syntézy sacharózy v mezofylové buňce mezofylové buňce

cytosolcytosol

Reakce je reverzibilních

loro

pla

st

ch

loro

pla

st

Trióza-PTrióza-PPi

Fruktóza 1,6 bis-Fruktóza 1,6 bis-PP

Sacharóza 6-PSacharóza 6-P

SacharózaSacharóza

Glukóza 1-Glukóza 1-PP

UDP-UDP-GlukózaGlukóza

Pi

PPi

Fruktóza 6-PFruktóza 6-P

kináza

fosfatáza

Glukóza 6-Glukóza 6-PP

UTP

PPi

SPSlowSPShigh

kináza

fosfatáza

Pi

Pi

Trióza-PTrióza-P

inhibice

aktivace

F-6-PF-6-P

PPi

Fruktóza 2,6 bis-Fruktóza 2,6 bis-PP

FFFFFF FBFFBF

P

Zdrojová buňka

FFK- fosfofruktokináza

FBF- fruktozabisfosfátfosfatáza

FFF- PPi- dependentní fosfofruktokináza

FFKFFK

PEPPi

PyruvátPyruvát

Pi

F-6-P

Trióza-P

Pi

Fruktóza 2,6 bis-P

PPi

PEP Pyruvát

F-2,6 bis-P moduluje tvorbu HX-P v závislosti na:

• přísunu Trióza –P a

• požadavku na HX-P

Pi

Regulace syntézy sacharózy v mezofylové Regulace syntézy sacharózy v mezofylové buňcebuňce

cytosolcytosol

Zdrojová buňka

Reakce je reverzibilních

loro

pla

st

ch

loro

pla

st

Trióza-PTrióza-PPi

Fruktóza 1,6 bis-Fruktóza 1,6 bis-PP

SacharózaSacharóza

Glukóza 1-Glukóza 1-PP

UDP-UDP-Glukóza Glukóza

Pi

PPi

Fruktóza 6-PFruktóza 6-P

kináza

fosfatáza

Glukóza 6-Glukóza 6-PP

UTP

PPi

SPSlowSPShigh

kináza

fosfatáza

Pi

Pi inhibice

aktivace

Fruktóza 2,6 bis-P

G-6-P

Pi

G-6-P

Pi

FFF FFF FBFFBF

P

FFKFFK

F-6-PTrióza-P

G-6-P

Pi PPi

PEP Pyruvát

SnRK1

SPS + S-P-fosfatáza tvoří komplex

Sacharóza 6-PSacharóza 6-P

Modulace syntézy sacharózy v závislosti

na:

• konc. G-6-P

• konc. Pi

Regulace syntézy sacharózy v Regulace syntézy sacharózy v mezofylové buňcemezofylové buňce

Nová forma SPS, ? produkt stejného genu

endogenní rytmus

SPS - zvýšení obsahu proteinu

identická SPS

modulace tranzicí světlo /tma

ovlivnění stresem

nízké teploty

osmotický stres aktivační fosforylace (ser 424 X inhibiční ser 158)

Zdrojová buňka

PřPř:: Transgenní rostliny bramboru s nadprodukcí sacharóza-P-syntázy3-7 x vyšší exprese genu ?? ovlivnění syntézy sacharózy Aktivita enzymu řízena aktivací a inhibicí metabolity postranslační modifikací enzymu změnami v množství enzymu

Vyšší koncentrace enzymu – kompenzace inaktivací enzymu fosforylací

O ovlivnění syntézy sacharózy

ovlivnění energetickou bilancí/ dostupností sacharidů/ sacharidovou signalizací

3 PGA3 PGA

TriózaTrióza-P-P

NADPH NADP

3 PGA3 PGA

ManitolManitol

Manóza-6-P Manóza-6-P

Manitol-1-P Manitol-1-P

Fruktóza-6-PFruktóza-6-P

Sacharóza-6-PSacharóza-6-P

SacharózaSacharóza

Trióza-PTrióza-PPi

Pi

Pi

UDPGUDPG

M-6-P-reduktázaNADPHNADPH

NADPNADP

Trióza-PTrióza-P

Syntéza manitolu představuje alternativní metabolický sink Syntéza manitolu představuje alternativní metabolický sink

chloroplachloroplastst

cytosolcytosol

Syntéza manitolu v mezofylové buňceSyntéza manitolu v mezofylové buňce

Syntéza sacharidů rafinózové řady Syntéza sacharidů rafinózové řady

STS mohou pro syntézu stachyózy místo galaktinolu využívat jako donoru galaktózových zbytků další galaktosylcyklitoly

sacharóza + galaktinol rafinóza + myo-inositol

rafinóza + galaktinol stachyóza + myo-inositol

UDP-Gal + myo-inositol galaktinol + UDP

galaktinolsyntáza

Místo syntézy závisí na charakteru poolu:

• transportní

• zásobní

• stresový

Regulace syntézy škrobu:

aktivita ADPGázy aktivita syntázy škrobu a větvících enzymů aktivita štěpících enzymů

ŠkrobŠkrob

Trióza-PTrióza-P

ADPGáza

Fruktóza 6-P

Fruktóza 1,6 bis-Fruktóza 1,6 bis-PP

Glukóza 1-Glukóza 1-PP

ATP

PPi

ADP-ADP-GlukózaGlukóza

Regulace syntézy škrobu v mezofylové Regulace syntézy škrobu v mezofylové buňce buňce

chloroplastchloroplast

Pi

Pi

Pi

Trióza-P

Zdrojová buňka

ADP

Trióza-P

Pi

ADP

Modulace syntézy škrobu v závislosti

na:

• konc. Trióza-P

• konc. Pi

• konc. ADP

Fosforylace škrobu :1) glukan-voda-dikináza 2) fosfoglukan-voda-dikináza

MobilizaceMobilizace škrobu v chloroplastu během nociškrobu v chloroplastu během noci

Produkce větvených a nevětvených glukanů (debranching enzyme, štěpící vazbu 1-6) Štěpení: -amylázou glukanfosforylázou

Zdrojová buňka

úroveň fosforylace nízká (2000 glu jednotek) nezbytná !

- amyláza ? ne, vyřazení malý vliv

[glukoza]n + H2O [glukoza]n-2 + maltóza

[glukoza]n + Pi [glukoza]n-1+ glukóza-1-P

• D-enzymem 2 [glukóza]3 [glukóza]5 +

glukóza

AMP-P-P + Glukan–OH +H2O AMP + Glukan-O-P + Pi

(ATP)

pGlcT

Mex1

transglukosidáza

Transport z chloroplastu :

Glukan ??? Glukan ???

??? Jak je metabolizována maltóza v Jak je metabolizována maltóza v cytosolucytosolu

glukózaglukóza

maltózamaltóza

glukóza-Pglukóza-P

Ukládání do vakuoly :

Plně vyvinuté buňky – dvě nebo více vakuol s rozdílnými funkcemi / skladovací, lytické/

Jedna vakuola ---vnitřní membrány– separace funkcí

Malé vakuoly – větší povrch – rychlejší transfer (potenciálně nebezpečných) látek – pak transport do velké vakuoly

Centrální vakuola v listu

1) Udržení turgoru, růst buněk, 2) optimální distribuce chloroplastů, 3) skladování živin (N) 4) skladování asimilátů pro pozdější využití..

Zdrojová buňka

Transport asimilátů z chloroplastu u Transport asimilátů z chloroplastu u Arabidopsis Arabidopsis

Zdrojová buňka

pGlcT

Mex1

TPT

Možnost kompenzace nedostatečnosti jednotlivých transportních komponent – vysoká

Rozdíly v reakcích různých rostlin : sucrose X starch accumulators Cho et al., 2011