Pyrenoid - Pyrenoid
Pyrenoidy jsou subcelulární mikro kompartmenty nacházející se v chloroplastech mnoha řas a v jediné skupině suchozemských rostlin rohovce . Pyrenoidy jsou spojeny s fungováním mechanismu koncentrace uhlíku (CCM). Jejich hlavní funkcí je působit jako centra fixace oxidu uhličitého (CO 2 ) generováním a udržováním prostředí bohatého na CO 2 kolem fotosyntetického enzymu ribulóza-1,5-bisfosfát karboxylázy/oxygenázy (RuBisCO). Zdá se, že pyrenoidy mají u sinic analogickou roli jako karboxysomy .
Řasy jsou omezeny na vodní prostředí, dokonce i ve vodních stanovištích, a to má důsledky pro jejich schopnost přístupu k CO 2 pro fotosyntézu. CO 2 ve vodě difunduje 10 000krát pomaleji než ve vzduchu a také se pomalu vyrovnává. Výsledkem toho je, že voda jako médium často snadno vyčerpá CO 2 a pomalu získává CO 2 ze vzduchu. A konečně, CO 2 do rovnováhy s hydrogenuhličitanu (HCO 3 - ), pokud se rozpustí ve vodě, a činí tak na pH dependentní bázi. Například v mořské vodě je pH takové, že rozpuštěný anorganický uhlík (DIC) se nachází hlavně ve formě HCO 3 - . Čistým výsledkem je nízká koncentrace volného CO 2, která je stěží dostačující na to, aby řasa RuBisCO mohla běžet čtvrtinou své maximální rychlosti , a proto dostupnost CO 2 může někdy představovat hlavní omezení fotosyntézy řas.
Objev
Pyrenoidy byly poprvé popsány v roce 1803 Vaucherem (citováno v Brown et al.). Termín poprvé vytvořil Schmitz, který také pozoroval, jak se chloroplasty řas de novo vytvářely během buněčného dělení, což vedlo Schimpera k tvrzení, že chloroplasty jsou autonomní, a k domněnce, že všechny zelené rostliny pocházejí z „sjednocení bezbarvého organismu s jedním jednotně zabarveným s chlorofylem “. Z těchto průkopnických pozorování nakonec Mereschkowski navrhl na počátku 20. století symbiogenetickou teorii a genetickou nezávislost chloroplastů.
V následujícím půlstoletí fykologové často používali pyrenoid jako taxonomický marker, ale fyziologové dlouho nedokázali ocenit význam pyrenoidů ve vodní fotosyntéze. Klasické paradigma, které převládalo až do začátku 80. let 20. století, bylo, že pyrenoid byl místem syntézy škrobu. Mikroskopická pozorování byla snadno zavádějící, protože škrobová pochva často uzavírá pyrenoidy. Objev mutantů s nedostatkem pyrenoidů s normálními zrny škrobu v zelené řase Chlamydomonas reinhardtii , stejně jako bez škrobových mutantů s perfektně vytvořenými pyrenoidy, nakonec tuto hypotézu diskreditoval.
Teprve počátkem sedmdesátých let byla objasněna proteinová povaha pyrenoidu, když byly pyrenoidy úspěšně izolovány ze zelené řasy, a ukázalo se, že až 90% z nich bylo složeno z biochemicky aktivního RuBisCO. V následujícím desetiletí se objevovalo stále více důkazů, že řasy jsou schopné akumulovat intracelulární zásoby DIC a převádět je na CO 2 v koncentracích, které výrazně převyšují koncentrace okolního média. Badger a Price nejprve navrhli, aby funkce pyrenoidu byla analogická s funkcí karboxysomu u sinic, protože je spojena s aktivitou CCM. Aktivita CCM v fotobiontech řas a sinic lišejníkových asociací byla také identifikována pomocí plynové výměny a izotopů izotopů uhlíku a spojena s pyrenoidem Palmqvist a Badger et al. Hornwort CCM byl později charakterizován Smithem a Griffithsem.
Od té doby byl pyrenoid studován v širším kontextu získávání uhlíku v řasách, ale dosud mu nebyla dána přesná molekulární definice.
Struktura
Mezi druhy řas existuje značná rozmanitost morfologie pyrenoidů a ultrastruktury. Společným znakem všech pyrenoidů je sféroidní matice, složená převážně z RuBisCO. Ve většině organismů obsahujících pyrenoidy je pyrenoidová matice procházena tylakoidními membránami, které jsou v kontinuitě se stromálními tylakoidy. V jednobuněčných červených řasách Porphyridium purpureum se zdá, že jednotlivé tylakoidní membrány procházejí pyrenoidem; v zelené řase Chlamydomonas reinhardtii se na okraji pyrenoidu spojuje více thylakoidů a tvoří větší tubuly, které procházejí matricí. Na rozdíl od karboxysomů nejsou pyrenoidy vymezeny proteinovým obalem (nebo membránou). Škrobový obal se často tvoří nebo ukládá na periferii pyrenoidů, i když je tento škrob syntetizován spíše v cytosolu než v chloroplastu.
Při zkoumání transmisní elektronovou mikroskopií se pyrenoidová matice jeví jako zhruba kruhová elektronově hustá zrnitá struktura v chloroplastu. Dřívější studie naznačovaly, že RuBisCO je uspořádán v krystalických polích v pyrenoidech rozsivek Achnanthes brevipes a dinoflagellate Prorocentrum micans . Nedávná práce však ukázala, že RuBisCO v pyrenoidové matrici zelených řas Chlamydomonas není v krystalické mřížce a místo toho se matice chová jako fázově oddělená, kapalina podobná organela.
Mutagenní práce na Chlamydomonas ukázaly, že malá podjednotka RuBisCO je důležitá pro sestavu pyrenoidové matrice a že dvě alfa-helixy vystavené rozpouštědlu malé podjednotky RuBisCO jsou klíčové pro tento proces. Ukázalo se, že sestavení RuBisCO do pyrenoidu vyžaduje vnitřně neuspořádaný opakující se protein EPYC1 vázající RuBisCO, který byl navržen tak, aby „spojil“ více holoenzymů RuBisCO dohromady za vzniku pyrenoidové matrice. Ukázalo se, že EPYC1 a Rubisco společně postačují k rekonstituci fázově oddělených kapiček, které vykazují podobné vlastnosti jako C. reinhardtii pyrenoidy in vivo, což dále podporuje roli „linkeru“ pro EPYC1.
Byl charakterizován proteom pyrenoidu Chlamydomonas a byly systematicky stanoveny lokalizace a interakce protein-protein desítek proteinů spojených s pyrenoidy. Mezi proteiny lokalizované do pyrenoidu patří aktivace RuBisCO, nitrátreduktáza a nitrit reduktáza.
U Chlamydomonas tvoří vysokomolekulární komplex dvou proteinů (LCIB/LCIC) další koncentrickou vrstvu kolem pyrenoidu, mimo obal škrobu, a to se v současné době předpokládá, že bude fungovat jako bariéra pro únik CO 2 nebo pro zachycování CO 2, který uteče z pyrenoidu.
V Porphyridium a Chlamydomonas je jediný vysoce nápadný pyrenoid v jednom chloroplastu, viditelný pomocí světelné mikroskopie. Naproti tomu v rozsivek a dinoflagellátech může být více pyrenoidů. Chlamydomonas pyrenoid bylo pozorováno, že předěl štěpením během chloroplastů divize. Ve vzácných případech, kdy ke štěpení nedošlo, se objevil pyrenoid, který se vytvořil de novo. Pyrenoidy se částečně rozpouští v chloroplastovém stromatu během každého buněčného dělení a tato skupina rozpuštěných složek může kondenzovat do nového pyrenoidu v případech, kdy jeden není zděděn štěpením.
Role pyrenoidů v CCM
Předpokládá se, že uvěznění enzymu fixujícího CO 2 do subcelulárního mikro kompartmentu ve spojení s mechanismem dodávání CO 2 na toto místo zvyšuje účinnost fotosyntézy ve vodném prostředí. Mít CCM upřednostňuje karboxylaci před nehospodárným okysličováním od RuBisCO. Molekulární základ pyrenoidu a CCM byly do určité míry charakterizovány v modelové zelené řase Chlamydomonas reinhardtii .
Současný model biofyzikálního CCM závislého na pyrenoidu uvažuje o aktivním transportu bikarbonátu z extracelulárního prostředí do blízkosti RuBisCO prostřednictvím transportérů na plazmatické membráně , chloroplastové membráně a thylakoidových membránách . Předpokládá se, že karboanhydrázy v periplasmě a také v cytoplazmě a chloroplastovém stromatu přispívají k udržení intracelulárního poolu rozpuštěného anorganického uhlíku, zejména ve formě bikarbonátu. Tento hydrogenuhličitan se pak předpokládá, že je čerpán do lumen transpyrenoidálních thylakoidů, kde se předpokládá rezidentní karboanhydráza, která převede bikarbonát na CO 2 , a nasytí RuBisCO karboxylačním substrátem. Je pravděpodobné, že různé skupiny řas vyvinuly různé typy CCM, ale obecně se má za to, že CCM řas je spojeno kolem kombinace karboanhydráz, anorganických transportérů uhlíku a určitého prostoru pro balení RuBisCO.
Pyrenoidy jsou vysoce plastické struktury a stupeň balení RuBisCO koreluje se stavem indukce CCM. U Chlamydomonas , když je CCM potlačen, například když jsou buňky udržovány v prostředí bohatém na CO 2 , je pyrenoid malý a matrice je nestrukturovaná. V dinoflagellate Gonyaulax je lokalizace RuBisCO na pyrenoid pod cirkadiánní kontrolou: když jsou buňky fotosynteticky aktivní během dne, RuBisCO se shromažďuje do více chloroplastů ve středu buněk; v noci tyto struktury zmizí.
Fyziologie a regulace CCM
Řasy CCM jsou indukovatelné a indukce CCM je obecně výsledkem podmínek nízkého CO 2 . Indukce a regulace Chlamydomonas CCM byla nedávno studována transkriptomickou analýzou, která odhalila, že jeden ze tří genů je regulován nahoru nebo dolů v reakci na změněné hladiny CO 2 v prostředí. Snímání CO 2 v Chlamydomonas zahrnuje „hlavní spínač“, který byl společně objeven dvěma laboratořemi. Tento gen, Cia5/Ccm1, ovlivňuje více než 1 000 genů reagujících na CO 2 a také podmiňuje stupeň zabalení RuBisCO do pyrenoidu.
Původ
CCM je indukován pouze během období nízkých hladin CO 2 a právě existence těchto spouštěcích hladin CO 2, pod nimiž jsou CCM indukovány, vedla vědce ke spekulacím o pravděpodobném načasování vzniku mechanismů, jako je pyrenoid.
Existuje několik hypotéz o původu pyrenoidů. Se vzestupem velké suchozemské flóry po kolonizaci půdy předky řas Charophyte dramaticky klesly hladiny CO 2 se současným zvýšením atmosférické koncentrace O 2 . Bylo navrženo, že tento prudký pokles hladin CO 2 působil jako evoluční hybná síla vývoje CCM, a tím dal vzniknout pyrenoidům, čímž se zajistilo, že se rychlost dodávky CO 2 nestane limitujícím faktorem pro fotosyntézu tváří v tvář klesající hladiny CO 2 v atmosféře .
Byly však navrženy alternativní hypotézy. Predikce minulých hladin CO 2 naznačují, že dříve mohly klesnout tak strmě nízko, jako tomu bylo při expanzi suchozemských rostlin: přibližně 300 MYA, v prvohorách . V takovém případě mohl existovat podobný evoluční tlak, který vyústil ve vývoj pyrenoidu, i když v tomto případě se mohla vyvinout pyrenoidová nebo pyrenoidní struktura, která byla ztracena, když se poté zvýšily hladiny CO 2 , pouze získat nebo znovu rozvíjet v období kolonizace půdy rostlinami. Důkazy o vícenásobných ziscích a ztrátách pyrenoidů během relativně krátkých geologických časových období byly nalezeny v hornwortech.
Rozmanitost
Pyrenoids se nacházejí v řasových linií, a to bez ohledu na to, zda chloroplastu se dědí z jedné endosymbiotického události (např zelené a červené řasy , ale ne v glaucophyta ) nebo více endosymbiotic události ( rozsivky , dinoflagellates , coccolithophores , cryptophytes , chlorarachniophyta a Euglenozoa ). Některým skupinám řas však pyrenoidy zcela chybí: „vyšší“ červené řasy a extremofilní červené řasy , rod zelených řas Chloromonas a „ zlaté řasy “. Pyrenoidy jsou obvykle považovány za špatné taxonomické markery a mnohokrát se mohly vyvinout nezávisle.
