Dört GAPC tipi GAPDH’den biri
Enzimlerin Fotosentezdeki Rolü
Bitkiler güneş ışığını kullanılabilir enerjiye dönüştürmek için bir dizi enzim kullanır ve Rubisco en önemlilerinden biridir. Kloroplastlardaki proteinin yaklaşık yarısını oluşturur ve sekiz özdeş büyük alt birimden oluşur. Hem büyük hem de küçük alt birimler, kloroplast DNA’sından ve çekirdekten kopyalanan mRNA tarafından kodlanır. Birlikte, CO2’yi beş karbonlu bir moleküle dönüştüren bir reaksiyonu katalize ederler.
RuBisCO’nun
aktif bölgesi Ana fotosentez enzimi olan RuBisCO’nun aktif bölgesi oldukça çeşitlidir. Ekip, aktif bölgesindeki yük dağılımı ile CO2 fiksasyon oranı arasında bir bağlantı buldu. Araştırmacılar, RuBisCO karbondioksit sabitleme aktivitesini optimize ederek bitkilerdeki fotosentez oranlarını artırabilir, gıda arzını artırabilir ve emisyonları azaltabilir. Doçent Hiroki Ashida, Profesör Emere Akiho Yokota ve Doçent Eiichi Mizohata liderliğindeki çalışmanın, mahsul iyileştirme, bitki fizyolojisinde yeni bir ölçüm ve genetik mühendisliği için çıkarımları var.
Fotosentezde, RuBisCO enzimleri atmosferik CO2’yi sabitler ve çoğu fotosentetik organizmada büyüme için gerekli olan glikozu üretir. RuBisCO enzimleri yeni ürünler üretmekte yavaştır ve atmosferik oksijenle rekabet eden bir reaksiyon metabolizmalarını yavaşlatır. Bu nedenle, organizma için çok maliyetlidirler ve etkinlikleri büyük ölçüde bitkiler karbondioksit sabitleme kapasitelerini kaybettiklerinde ortaya çıkan fotosolunum hızıyla belirlenir.
Fotosentezde
RuBisCo enzimleri Fotosentezde RuBisCo enzimleri, ribuloz-1,5-bifosfatın moleküler oksijen ve karbon dioksit ile reaksiyonunu katalize eder. RuBP, CC bağını katalitik olarak kırar ve kararsız bir ara ürün olan 3-fosfogliserat üretir. Bu reaksiyonu iki ek adım takip eder: ilki, on iki PGA molekülünü fosforile etmek için ATP’yi kullanır ve ikinci adım, 12 BPG molekülünü azaltmak için NADPH elektronlarını kullanır. Işığa bağımlı fotosentezin son ürünü gliseraldehit-3-fosfattır.
Zayıf aktivitesi nedeniyle RuBisCO, Dünya’da en bol bulunan proteinlerden biridir. Bitkiler, hücrelerinin içinde büyük miktarlarda RuBisCO depolayarak bunun üstesinden gelir. Sonuç olarak, RuBisCO enzimleri fotosenteze önemli bir katkıda bulunur. Bununla birlikte, RuBisCO’nun kinetiği büyük ölçüde değişmiştir. Bu nedenle RuBisCO kinetiği henüz tam olarak açıklığa kavuşturulamamıştır.
Dört GAPC tipi GAPDH’den
biri OsGAPDH, dört GAPC tipi GAPDH’den biridir. Bu heterotetramer, hidrojen bağları ile stabilize edilmiş dört özdeş alt birim içerir. Monomer, kofaktör bağlama alanından (1-153 kalıntıları) ve katalitik alandan (154-317 kalıntıları) oluşur. Bu alanlar, bir b-yaprağının her iki tarafında beş a-helis bulunan bir Rossmann kıvrımına sahiptir.
GAPDH, fotosentezde, katalizdeki rolünden protein etkileşimlerindeki rolüne kadar çok sayıda rol oynar. GAPDH’nin ökaryotik haberci RNA’larda bulunan AU açısından zengin elementlere (ARE’ler) bağlandığı düşünülmektedir. ARE’lere bağlanarak, proteinler mRNA’ların stabilitesini değiştirebilir ve böylece ekspresyon seviyelerini etkileyebilir. Örneğin, endotelin ET-1’in mRNA’sı, 3′-UTR’sinde AU açısından zengin bir element (ARE) içerir. Bu, GAPDH’nin mRNA’yı çözmesini ve ribonükleazlar tarafından daha hızlı bozulmayı desteklemesini sağlar.
Bitki GAPDH’nin rolü hala tartışılırken, bazı araştırmalar bunun bir sinyal merkezi olarak hizmet ettiğini öne sürüyor. Enzim, hücredeki metabolik ve redoks dengesizliklerini algılar. Kombine olarak, bu sinyaller, gelişmiş büyümeden PCD indüksiyonuna kadar değişen çok sayıda hücresel yanıtı tetikleyebilir. Bu, etkili düzenleyici sistemler ve redoks kodları gerektirir. Neyse ki, GAPDH enzimleri bitki fotosentezinin hayati bir parçasıdır.
A2B2-GAPDH’nin yapısı, tüm bireysel alt birimlerin elektron yoğunluk haritaları kullanılarak elde edildi. Bu haritalar oksitlenmiş CTE’nin NADP’nin tanınmasını olumsuz etkilediğini ortaya koydu. Ek olarak, R-ekseni ile ilişkili B alt birimi, oksitlenmiş A2B2-GAPDH’de NADPH’ye bağlı aktivitenin aşağı regülasyonuna katkıda bulunan, oksitlenmiş CTE ile etkileşime girmeyen iki tortuya sahipti.
Rubisco aktivaz enzimi Rubisco aktivaz enziminin
daha küçük bir izoformunu içeren bir transgenik bitki, aktif formunu ışıkta koruyabilir. Aynı zamanda aktivitesini modüle ederek vahşi tip bir bitki gibi işlev görmesini sağlar. Enzimin fotosentezi nasıl etkilediği tam olarak bilinmemekle birlikte redoks potansiyeli ve CO2/ATP oranının düzenlenmesinde önemli rol oynadığı düşünülmektedir.
Yapraktaki aktif enzim, fotosentetik karbon metabolizmasını başlatan Rubisco’dur. Bu işlem sırasında CO2, atmosferik CO2 ile birleşerek 3-fosfogliserik asit oluşturan ribuloz 1,5-bifosfata (RuBP) dahil edilir. Rubisco aktivaz enzimi, bitkinin aktif bölgesine bağlanan inhibitör şeker-fosfat türevlerinden kurtulmasına yardımcı olur.
Bu çalışma, Rca proteinlerinin Rubisco aktivasyonu üzerindeki etkisi değerlendirilerek yapılmıştır. Carmo-Silva ve Salvucci tahlilini kullanarak, rekombinant proteinler Rca 2b ve Rca 2c kullanarak Rubisco aktivasyonunun ve ATP hidrolizinin aktivitesini ölçtük. Rekombinant Rca, 100 mM Trisin-NaOH pH 8.0, on mM MgCl2, 50 mM DL-ditiyotreitol ve 0.1 mM EDTA içeren bir çözeltiye ilave edildi.
ATP hidrolizi ve
Rubisco’nun aktivitesi ATP hidrolizi ve Rubisco aktivazın aktivitesi üzerine yapılan bir çalışma, 411 ve 392 pozisyonlarındaki Cys kalıntılarının düşük ATP hidrolizi ve 46-kDa izoformunun yüksek aktivitesi için gerekli olduğunu ortaya çıkardı. Bu çalışma ayrıca, daha büyük izoformun redoks düzenlemesinin her iki izoformun aktivitesini modüle ettiğini de göstermiştir. Rubisco aktivazın redoks düzenlemesinin bitkideki her iki izoformun aktivitesini nasıl etkilediğini belirlemek için daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır.
RCA, hücresel solunum sürecinde Rubisco ve ATP’nin aktif bölgelerinden inhibitörlerin salınmasını desteklemek için ATP hidrolizinden gelen enerjiyi kullanan bir moleküldür. Üç RCA izoformu (Rca 2b, Rca 2b ve Rca 1b) ATP’yi karşılaştırılabilir oranlarda hidrolize eder. R 2a ve 2b, Rubisco aktivasyonunu destekler, ancak Rca 1b, baskın Rca izoformudur.
Magnezyum bir makro besindir
Bitkiler, karbonhidratları aktif dokulara taşımak için fotosentez için Mg’ye ihtiyaç duyar. Bu nedenle, bitkilerde Mg eksikliği varsa, fotosentezi daha az gerçekleştirebilirler. Ek olarak, bitkilerde bir Mg eksikliği, kaynak yapraklarda karbon birikimi olan fotosentezde büyük bir değişikliğe neden olur. Bu nedenle, bitkiler fotosentez yapmak ve ekin stresini azaltmak için bol miktarda Mg’ye ihtiyaç duyarlar.
Ekinlerde yaprak MgSO4 kullanımı, Mg eksikliği semptomlarını hafifletmek için yeterli miktarda Mg sağlayabilir. Ancak, her zaman yeterli değildir. Magnezyum noksanlığı mahsul verimini ve kalitesini etkiler. Bu, ana gübreleri olarak N, P ve K’ye dayanan yoğun kırpma sistemlerinde özellikle önemlidir. Magnezyum eksikliği, potansiyel sızıntı ve alüminyum etkileşimi nedeniyle oldukça hava koşullarına maruz kalmış topraklarda meydana gelebilir.
Bitkiler ayrıca karbonhidratları yeşil yapraklardan aktif dokulara taşımak için Mg’ye ihtiyaç duyar. Magnezyum eksikliği sürgünlerin ve köklerin büyümesini bozar. Bitkiler ayrıca çeşitli enzimlerde doğru şekilde işlev görmek için Mg’ye ihtiyaç duyar. İkincil bir makro besin maddesi olarak magnezyum, fotosentezde vazgeçilmezdir. Bununla birlikte, bitkilerde magnezyum toksisitesi diğer besin eksikliklerine neden olabilir. Hal böyle olunca da magnezyum ihtiyacı son derece fazladır.
Mg, klorofil oluşumu için çok önemli olmakla birlikte, diğer işlevlerde de yer alır. Magnezyum, CO2’nin fotofosforilasyonu ve fiksasyonu dahil olmak üzere 300 enzim için bir kofaktör ve allosterik modülatör görevi görür. Mg, protein biyosentezinde esastır ve protein sentezinden sorumlu ribozomlarda çok önemli bir rol oynar. Mg eksikliği olan bitkilerde bu süreç ciddi şekilde engellenir ve öncül amino asitlerin konsantrasyonu artar.
Çevresel stresin fotosentez üzerindeki etkileri
Isı stresi, fotosentezde yer alanlar da dahil olmak üzere birçok bitki enziminin işlevini doğrudan etkiler. Yüksek sıcaklıklara maruz kalan bitki hücrelerinin toparlanması için daha az zaman vardır ve diğer hücresel fonksiyonlarından önce fotosentezleri inhibe edilir. Fotosentezdeki ısı stresinin birincil hedefleri, Fotosistem II (PSII) ve ribuloz-1,5-bifosfat karboksilaz (Rubisco) enzimleridir.
Çevresel stres, bitkilerde birçok biyolojik, biyokimyasal ve moleküler süreci etkiler. Stresten ciddi şekilde etkilenen süreçlerden biri de yeşil bitkilerin en temel fizyolojik süreci olan fotosentezdir. Çevresel stres fotosentezi her aşamada etkiler. Fotosentezde yer alan mekanizmalar, oksijen üretimini katalize eden enzimler dahil olmak üzere çeşitli bileşenleri içerir. Bu bileşenlerden herhangi birinin zarar görmesi, bitkinin fotosentetik kapasitesini azaltabilir.
Çevresel stresin
etkileri Çevresel stresin fotosentez üzerindeki etkileri türler arasında farklılık gösterir. Isı stresi yaprak dokusunda klorofil üretimi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Fotosistem II’nin kuantum verimini de etkileyebilir. Araştırmacılar, stoma dışı faktörlerdeki değişikliklerin Pn ve Ci’de azalmaya neden olduğunu bulmuşlardır. Örneğin, yüksek sıcaklık işlemleri, enzim Gs ve Ci aktivitesini düşürürken, yüksek sıcaklıklar aynı anda Pn ve Ci’yi azaltır.
Isı stresi ayrıca bitki hücrelerine zarar veren reaktif oksijen türlerinin üretimini de teşvik eder. Bu etkiye karşı koymak için bitkiler, antioksidan adı verilen enzimatik temizleyiciler üretir. Bunların en önemlisi, O2’nin H2O2’ye dismutasyonunu katalize eden süperoksit dismutazdır (SOD). Diğer antioksidan enzimler de bitkide bulunur.