Pyrenoid - Pyrenoid
Pyrenoider er subcellulære mikrokamre, der findes i kloroplaster af mange alger , og i en enkelt gruppe landplanter, hornwortene . Pyrenoider er forbundet med driften af en kulstofkoncentrationsmekanisme (CCM). Deres hovedfunktion er at fungere som centre for kuldioxidfiksering (CO 2 ) ved at generere og opretholde et CO 2 -rigt miljø omkring det fotosyntetiske enzym ribulose-1,5-bisphosphatcarboxylase/oxygenase (RuBisCO). Pyrenoider synes derfor at have en rolle, der er analog med carboxysomers rolle i cyanobakterier .
Alger er begrænset til vandige miljøer, selv i vandmiljøer, og det har konsekvenser for deres evne til at få adgang til CO 2 til fotosyntese. CO 2 diffunderer 10.000 gange langsommere i vand end i luft og er også langsom til ækvilibrering. Resultatet af dette er, at vand som medium ofte let tømmes for CO 2 og er langsomt til at hente CO 2 fra luften. Endelig ækvilibrerer CO 2 med bicarbonat (HCO 3 - ) når det er opløst i vand, og gør det på en pH -afhængig basis. I havvand for eksempel er pH -værdien sådan, at opløst uorganisk kulstof (DIC) hovedsageligt findes i form af HCO 3 - . Nettoresultatet af dette er en lav koncentration af frit CO 2 , der knap nok er tilstrækkeligt til, at et alger RuBisCO kan køre med en fjerdedel af sin maksimale hastighed , og dermed kan CO 2 -tilgængelighed undertiden repræsentere en større begrænsning af algens fotosyntese.
Opdagelse
Pyrenoider blev først beskrevet i 1803 af Vaucher (citeret i Brown et al.). Begrebet blev først opfundet af Schmitz, der også observerede, hvordan algekloroplaster dannede de novo under celledeling, hvilket fik Schimper til at foreslå, at kloroplaster var autonome og formodede, at alle grønne planter var opstået gennem "forening af en farveløs organisme med en ensartet farvet med klorofyl ". Fra disse banebrydende observationer foreslog Mereschkowski til sidst i begyndelsen af det 20. århundrede den symbiogenetiske teori og kloroplasters genetiske uafhængighed.
I det følgende halve århundrede brugte fykologer ofte pyrenoiden som en taksonomisk markør, men fysiologer har længe undladt at forstå pyrenoidernes betydning i vandfotosyntesen. Det klassiske paradigme, der herskede indtil begyndelsen af 1980'erne, var, at pyrenoiden var stedet for stivelsessyntese. Mikroskopiske observationer var let vildledende, da en stivelseskappe ofte omslutter pyrenoider. Opdagelsen af pyrenoidmangel mutanter med normale stivelseskorn i grønalgen Chlamydomonas reinhardtii samt stivelsesløse mutanter med perfekt dannede pyrenoider miskrederede til sidst denne hypotese.
Det var ikke før begyndelsen af 1970'erne, at pyrenoidens proteinholdige natur blev belyst, da pyrenoider med succes blev isoleret fra en grøn alge og viste, at op til 90% af det var sammensat af biokemisk aktivt RuBisCO. I det følgende årti dukkede flere og flere beviser op for, at alger var i stand til at akkumulere intracellulære puljer af DIC og konvertere disse til CO 2 i koncentrationer, der langt overstiger koncentrationen af det omgivende medium. Badger og Price foreslog først pyrenoidens funktion at være analog med carboxysomets funktion i cyanobakterier ved at være forbundet med CCM -aktivitet. CCM -aktivitet i alger og cyanobakterielle fotobioner af lavforeninger blev også identificeret ved hjælp af gasudveksling og carbonisotopisotoper og forbundet med pyrenoiden af Palmqvist og Badger et al. Hornwort CCM blev senere karakteriseret ved Smith og Griffiths.
Derfra blev pyrenoiden undersøgt i den bredere kontekst af kulstofopsamling i alger, men har endnu ikke givet en præcis molekylær definition.
Struktur
Der er en betydelig mangfoldighed i pyrenoidmorfologi og ultrastruktur mellem algearter. Det fælles træk ved alle pyrenoider er en kugleformet matrix, der primært består af RuBisCO. I de fleste pyrenoidholdige organismer krydses pyrenoidmatricen af thylakoidmembraner, som er i kontinuitet med stromale thylakoider. I den encellede rødalge Porphyridium purpureum synes individuelle thylakoidmembraner at krydse pyrenoiden; i grønalgen Chlamydomonas reinhardtii smelter flere thylakoider ved pyrenoidens periferi for at danne større tubuli, der krydser matricen. I modsætning til carboxysomer afgrænses pyrenoider ikke af en proteinskal (eller membran). En stivelseskappe dannes ofte eller afsættes ved periferien af pyrenoider, selv når stivelsen syntetiseres i cytosolen frem for i chloroplasten.
Når den undersøges med transmissionselektronmikroskopi, fremstår pyrenoidmatricen som en groft cirkulær elektrontæt granulær struktur i chloroplasten. Tidlige undersøgelser antydede, at RuBisCO er arrangeret i krystallinske arrays i pyrenoiderne i diatoméet Achnanthes brevipes og dinoflagellatet Prorocentrum micans . Imidlertid har nyere arbejde vist, at RuBisCO i pyrenoidmatrixen af grønalgen Chlamydomonas ikke er i et krystallinsk gitter, og i stedet opfører matrixen sig som en fasesepareret, væskelignende organel.
Mutagent arbejde med Chlamydomonas har vist, at den lille RuBisCO lille underenhed er vigtig for pyrenoidmatrixsamling, og at to solvent-eksponerede alfa-helixer i RuBisCO lille underenhed er nøglen til processen. Montering af RuBisCO i et pyrenoid viste sig at kræve det iboende uordnede RuBisCO-bindende gentagelsesprotein EPYC1, som blev foreslået at "forbinde" flere RuBisCO-holoenzymer sammen for at danne pyrenoidmatrixen. EPYC1 og Rubisco tilsammen viste sig at være tilstrækkelige til at rekonstituere faseseparerede dråber, der viser lignende egenskaber som C. reinhardtii pyrenoider in vivo, hvilket yderligere understøtter en "linker" rolle for EPYC1.
Proteomet for Chlamydomonas pyrenoid er blevet karakteriseret, og lokaliseringer og protein-protein-interaktioner af snesevis af pyrenoid-associerede proteiner blev systematisk bestemt. Proteiner lokaliseret til pyrenoid inkluderer RuBisCO activase, nitratreduktase og nitritreduktase.
I Chlamydomonas danner et kompleks med høj molekylvægt af to proteiner (LCIB/LCIC) et yderligere koncentrisk lag omkring pyrenoiden uden for stivelseskappen, og dette antages i øjeblikket at fungere som en barriere for CO 2 -lækage eller for at generobre CO 2, der slipper ud af pyrenoiden.
I Porphyridium og i Chlamydomonas er der en enkelt meget iøjnefaldende pyrenoid i en enkelt kloroplast, synlig ved hjælp af lysmikroskopi. Derimod kan der i diatomer og dinoflagellater være flere pyrenoider. Den Chlamydomonas pyrenoid er blevet observeret at dividere med fission under chloroplast division. I sjældne tilfælde, hvor fission ikke forekom, syntes en pyrenoid at danne de novo. Pyrenoider opløses delvist i chloroplaststroma under hver celledeling, og denne pulje af opløste komponenter kan kondensere til et nyt pyrenoid i tilfælde, hvor man ikke arves ved fission.
Pyrenoidernes rolle i CCM
Indespærring af CO 2 -fixing enzym i en subcellulær mikro-rum, i association med en mekanisme til at levere CO 2 til stedet, menes at forbedre effektiviteten af fotosyntese i et vandigt miljø. At have en CCM favoriserer carboxylering frem for spildende iltning af RuBisCO. Det molekylære grundlag for pyrenoiden og CCM er blevet karakteriseret til en vis detalje i modellen grønalge Chlamydomonas reinhardtii .
Den nuværende model af det biofysiske CCM, der er afhængig af et pyrenoid, overvejer aktiv transport af bicarbonat fra det ekstracellulære miljø til RuBisCOs nærhed, via transportører ved plasmamembranen , chloroplastmembranen og thylakoidmembraner . Kulsyreanhydrider i periplasma og også i cytoplasma og chloroplaststroma menes at bidrage til at opretholde en intracellulær pulje af opløst uorganisk carbon, hovedsageligt i form af bikarbonat. Dette bicarbonat menes derefter at blive pumpet ind i lumen af transpyrenoidale thylakoider, hvor en resident carbonanhydrase antages at omdanne bikarbonat til CO 2 og mætte RuBisCO med carboxyleringssubstrat. Det er sandsynligt, at forskellige algegrupper udviklede forskellige typer CCM'er, men det antages generelt, at algen CCM artikuleres omkring en kombination af carbonholdige anhydraser, uorganiske carbontransportører og et rum til pakning af RuBisCO.
Pyrenoider er meget plastiske strukturer, og graden af RuBisCO -emballage korrelerer med induktionstilstanden for CCM. I Chlamydomonas , når CCM undertrykkes, f.eks. Når celler opretholdes i et CO 2 -beriget miljø, er pyrenoiden lille, og matricen er ustruktureret. I dinoflagellatet Gonyaulax er lokaliseringen af RuBisCO til pyrenoiden under døgnkontrol: når celler er fotosyntetisk aktive i løbet af dagen, samles RuBisCO i flere chloroplaster i midten af cellerne; om natten forsvinder disse strukturer.
Fysiologi og regulering af CCM
Algen CCM er inducerbar, og induktion af CCM er generelt et resultat af lave CO 2 -forhold. Induktion og regulering af Chlamydomonas CCM blev for nylig undersøgt ved transkriptomisk analyse, hvilket afslørede, at et ud af tre gener er op- eller nedreguleret som reaktion på ændrede niveauer af CO 2 i miljøet. Registrering af CO 2 i Chlamydomonas involverer en "master switch", som blev opdaget af to laboratorier. Dette gen, Cia5/Ccm1, påvirker over 1.000 CO 2 -responsive gener og betingelser også graden af pakning af RuBisCO i pyrenoiden.
Oprindelse
CCM induceres kun i perioder med lave CO 2 -niveauer, og det var eksistensen af disse triggerniveauer af CO 2, hvorunder CCM'er induceres, der fik forskere til at spekulere i den sandsynlige timing for oprindelsen af mekanismer som pyrenoid.
Der er flere hypoteser om oprindelsen af pyrenoider. Med stigningen i den store jordbaserede flora efter kolonisering af land af forfædre til Charophyte -alger faldt CO 2 -niveauet dramatisk med en samtidig stigning i O 2 atmosfærisk koncentration. Det er blevet antydet, at dette kraftige fald i CO 2 -niveauerne fungerede som en evolutionær drivkraft for CCM -udvikling og dermed gav anledning til pyrenoider, der sikrede, at forsyningshastigheden for CO 2 ikke blev en begrænsende faktor for fotosyntese i lyset af faldende atmosfæriske CO 2 -niveauer.
Imidlertid er alternative hypoteser blevet foreslået. Forudsigelser om tidligere CO 2 -niveauer tyder på, at de tidligere kan være faldet så voldsomt lavt som det, der blev set under udvidelsen af landplanter: cirka 300 MYA, under proterozoikum . I dette tilfælde kunne der have været et lignende evolutionært pres, der resulterede i udviklingen af pyrenoiden, selvom i dette tilfælde en pyrenoid eller pyrenoidlignende struktur kunne have udviklet sig og er gået tabt, da CO 2 -niveauerne derefter steg, kun at blive opnået eller udviklet igen i perioden med landkolonisering af planter. Der blev fundet beviser på flere gevinster og tab af pyrenoider over relativt korte geologiske tidsrum i hornworts.
Mangfoldighed
Pyrenoider findes i algelinier, uanset om chloroplasten er arvet fra en enkelt endosymbiotisk begivenhed (f.eks. Grønne og røde alger , men ikke i glaukofytter ) eller flere endosymbiotiske hændelser ( kiselalger , dinoflagellater , coccolithophorer , kryptofytter , chlorarachniophytter og euglenozoa ). Nogle alger grupper, dog mangler pyrenoids helt: "højere" røde alger og extremophile rødalger , grøn alge slægten Chloromonas , og " gulalge ". Pyrenoider anses normalt for at være dårlige taksonomiske markører og kan have udviklet sig uafhængigt mange gange.
