Pirenoid - Pyrenoid
Pirenoidy to subkomórkowe mikroprzedziały znajdujące się w chloroplastach wielu alg oraz w jednej grupie roślin lądowych, w rogatkach . Pirenoidy są związane z działaniem mechanizmu koncentracji węgla (CCM). Ich główną funkcją jest działanie jako centra wiązania dwutlenku węgla (CO 2 ) poprzez generowanie i utrzymywanie środowiska bogatego w CO 2 wokół enzymu fotosyntezy karboksylazy/oksygenazy rybulozo-1,5-bisfosforanu (RuBisCO). Wydaje się zatem, że pirenoidy odgrywają rolę analogiczną do roli karboksysomów w sinicach .
Glony są ograniczone do środowisk wodnych, nawet w siedliskach wodnych, co ma wpływ na ich zdolność do uzyskiwania dostępu do CO 2 w procesie fotosyntezy. CO 2 dyfunduje 10 000 razy wolniej w wodzie niż w powietrzu, a także wolniej się równoważy. W wyniku tego woda, jako medium, jest często łatwo uszczuplona w CO 2 i powoli pozyskuje CO 2 z powietrza. Wreszcie, CO 2 równoważy się z wodorowęglanem (HCO 3 − ) po rozpuszczeniu w wodzie i robi to w zależności od pH . Na przykład w wodzie morskiej pH jest takie, że rozpuszczony węgiel nieorganiczny (DIC) występuje głównie w postaci HCO 3 − . Wynikiem tego jest niskie stężenie wolnego CO 2 , które jest ledwo wystarczające do działania RuBisCO z alg z jedną czwartą maksymalnej prędkości , a zatem dostępność CO 2 może czasami stanowić główne ograniczenie fotosyntezy alg.
Odkrycie
Pirenoidy zostały po raz pierwszy opisane w 1803 przez Vauchera (cytowane w Brown i in.). Termin ten został po raz pierwszy wymyślony przez Schmitza, który zaobserwował również, jak chloroplasty glonów tworzą się de novo podczas podziału komórki, co doprowadziło Schimpera do wniosku, że chloroplasty są autonomiczne i do przypuszczenia, że wszystkie zielone rośliny powstały w wyniku „zjednoczenia bezbarwnego organizmu z jednolicie zabarwionym organizmem”. z chlorofilem”. Na podstawie tych pionierskich obserwacji Mereschkowski zaproponował ostatecznie, na początku XX wieku, teorię symbiogenetyczną i genetyczną niezależność chloroplastów.
W następnym półwieczu fykolodzy często używali pirenoidów jako markerów taksonomicznych, ale fizjolodzy długo nie doceniali znaczenia pirenoidów w fotosyntezie wodnej. Klasyczny paradygmat, który dominował do wczesnych lat osiemdziesiątych, zakładał, że pirenoid jest miejscem syntezy skrobi. Obserwacje mikroskopowe łatwo wprowadzały w błąd, ponieważ osłonka skrobiowa często zawiera pirenoidy. Odkrycie mutantów z niedoborem pirenoidów z normalnymi ziarnami skrobi w zielonych algach Chlamydomonas reinhardtii , a także bezskrobiowych mutantów z doskonale uformowanymi pirenoidami ostatecznie zdyskredytowało tę hipotezę.
Dopiero na początku lat 70. wyjaśniono białkowy charakter pirenoidu, kiedy z powodzeniem wyizolowano pirenoidy z zielonych alg i wykazano, że do 90% z nich składa się z biochemicznie aktywnego RuBisCO. W następnej dekadzie pojawiło się coraz więcej dowodów na to, że glony są zdolne do gromadzenia wewnątrzkomórkowych puli DIC i przekształcania ich w CO 2 , w stężeniach znacznie przekraczających stężenie otaczającego środowiska. Badger i Price po raz pierwszy zasugerowali, że funkcja pirenoidu jest analogiczna do funkcji karboksysomu w sinicach, w związku z aktywnością CCM. Palmqvist i Badger et al. zidentyfikowali również aktywność CCM w fotobiontach glonów i sinic asocjacji porostów za pomocą wymiany gazowej i izotopów węgla i powiązali ją z pirenoidem. Hornwort CCM został później scharakteryzowany przez Smitha i Griffithsa.
Od tego momentu pirenoid był badany w szerszym kontekście pozyskiwania węgla w algach, ale jeszcze nie otrzymał dokładnej definicji molekularnej.
Struktura
Istnieje znaczna różnorodność morfologii i ultrastruktury pirenoidów między gatunkami glonów. Wspólną cechą wszystkich pirenoidów jest matryca sferoidalna, składająca się głównie z RuBisCO. W większości organizmów zawierających pirenoidy przez macierz pirenoidową przechodzą błony tylakoidów, które są w ciągłości z tylakoidami zrębowymi. U jednokomórkowej czerwonej algi Porphyridium purpureum , poszczególne błony tylakoidów wydają się przechodzić przez pirenoid; w zielonych algach Chlamydomonas reinhardtii wiele tylakoidów łączy się na obrzeżach pirenoidu, tworząc większe kanaliki, które przecinają macierz. W przeciwieństwie do karboksysomów, pirenoidy nie są wyznaczone przez powłokę białkową (lub błonę). Osłonka skrobiowa jest często tworzona lub osadzana na obrzeżu pirenoidów, nawet gdy skrobia jest syntetyzowana raczej w cytozolu niż w chloroplastach.
Podczas badania za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej, matryca pirenoidowa pojawia się jako z grubsza kołowa, gęsta, ziarnista struktura w chloroplastach. Wczesne badania sugerowały, że RuBisCO jest ułożony w matryce krystaliczne w pirenoidach okrzemek Achnanthes brevipes i bruzdnic Prorocentrum micans . Jednak ostatnie prace wykazały, że RuBisCO w macierzy pirenoidowej zielonych glonów Chlamydomonas nie znajduje się w sieci krystalicznej, a zamiast tego macierz zachowuje się jak oddzielona fazowo, przypominająca ciecz organella.
Badania mutagenne nad Chlamydomonas wykazały, że mała podjednostka RuBisCO jest ważna dla montażu matrycy pirenoidowej, a dwie wystawione na działanie rozpuszczalnika alfa-helisy małej podjednostki RuBisCO są kluczowe dla tego procesu. Wykazano, że składanie RuBisCO w pirenoid wymaga wewnętrznie nieuporządkowanego białka EPYC1 z powtórzeniami wiążącymi RuBisCO, które zaproponowano do „połączenia” ze sobą wielu holoenzymów RuBisCO w celu utworzenia macierzy pirenoidowej. Wykazano, że EPYC1 i Rubisco razem są wystarczające do odtworzenia rozdzielonych fazowo kropelek, które wykazują podobne właściwości do pirenoidów C. reinhardtii in vivo, dodatkowo potwierdzając rolę „łącznika” dla EPYC1.
Scharakteryzowano proteom pyrenoidu Chlamydomonas oraz systematycznie określono lokalizacje i interakcje białko-białko kilkudziesięciu białek związanych z pirenoidem. Białka zlokalizowane w pirenoidzie obejmują aktywazę RuBisCO, reduktazę azotanową i reduktazę azotynową.
W Chlamydomonas kompleks dwóch białek o dużej masie cząsteczkowej (LCIB/LCIC) tworzy dodatkową koncentryczną warstwę wokół pirenoidu, poza osłonką skrobi, i obecnie istnieje hipoteza, że działa ona jako bariera dla wycieku CO 2 lub do ponownego wychwytywania CO 2, który ucieka z pyrenoidu.
U Porphyridium i Chlamydomonas w jednym chloroplastach znajduje się pojedynczy, bardzo widoczny pirenoid, widoczny pod mikroskopem świetlnym. Natomiast w okrzemkach i bruzdnicach może występować wiele pirenoidów. Chlamydomonas podczas podziału chloroplastów pirenoid zaobserwowano podzielić przez rozszczepienie. W rzadkich przypadkach, w których nie doszło do rozszczepienia, pirenoid wydawał się tworzyć de novo. Pirenoidy częściowo rozpuszczały się w zrębie chloroplastów podczas każdego podziału komórki, a ta pula rozpuszczonych składników może skondensować się w nowy pirenoid w przypadkach, gdy nie jest on dziedziczony przez rozszczepienie.
Rola pirenoidów w CCM
Poród w CO 2 enzymu -fixing do subkomórkowej mikro komory, w związku z mechanizmem dostarczania CO 2 w tym miejscu, uważane jest za zwiększające skuteczność procesu fotosyntezy w środowisku wodnym. Posiadanie CCM faworyzuje karboksylację w stosunku do marnotrawnego natleniania przez RuBisCO. Molekularne podstawy pirenoidu i CCM zostały szczegółowo scharakteryzowane w modelu zielonej algi Chlamydomonas reinhardtii .
Obecny model biofizycznych w CCM uzależnionej pirenoid uważa aktywnego transportu wodorowęglanu pozakomórkowej środowiska w okolicach RUBISCO, za pośrednictwem nośników w błonie komórkowej , na membranę chloroplastu i błon tylakoidowych . Uważa się, że anhydrazy węglanowe w peryplazmie, a także w cytoplazmie i zrębie chloroplastów przyczyniają się do utrzymania wewnątrzkomórkowej puli rozpuszczonego węgla nieorganicznego, głównie w postaci wodorowęglanu. Ten dwuwęglan jest następnie, że jest pompowana do światła transpyrenoidal tylakoid, w którym zamieszkuje anhydrazy węglanowej hipotezy wodorowęglanem konwersji CO 2 i Nasycenie Rubisco z carboxylating podłoża. Jest prawdopodobne, że różne grupy alg wyewoluowały różne typy CCM, ale ogólnie przyjmuje się, że CCM alg jest połączony z kombinacją anhydraz węglanowych, nieorganicznych transporterów węgla i niektórych przedziałów do pakowania RuBisCO.
Pirenoidy to struktury wysoce plastyczne, a stopień opakowania RuBisCO koreluje ze stanem indukcji CCM. W Chlamydomonas , gdy CCM są tłumione na przykład, gdy komórki są utrzymywane w CO 2 bogaty w środowisku, pirenoid jest mała, a matryca jest nieuporządkowane. U bruzdnic Gonyaulax lokalizacja RuBisCO w pirenoidzie jest pod kontrolą okołodobową: gdy komórki są fotosyntetycznie aktywne w ciągu dnia, RuBisCO łączy się w wiele chloroplastów w centrum komórek; w nocy struktury te znikają.
Fizjologia i regulacja CCM
Glonów CCM jest indukowany, a indukcja CCM jest zazwyczaj wynikiem niskiej CO 2 warunkach. Indukcję i regulację Chlamydomonas CCM zbadano ostatnio za pomocą analizy transkryptomicznej, ujawniając, że jeden z trzech genów jest regulowany w górę lub w dół w odpowiedzi na zmienione poziomy CO 2 w środowisku. Wykrywanie CO 2 w Chlamydomonas obejmuje „główny przełącznik”, który został odkryty wspólnie przez dwa laboratoria. Ten gen, Cia5/Ccm1, wpływa na ponad 1000 genów reagujących na CO 2 , a także warunkuje stopień upakowania RuBisCO w pirenoidzie.
Początek
CCM jest indukowane tylko w okresach niskiego poziomu CO 2 , a istnienie tych poziomów wyzwalających CO 2 , poniżej których indukowane są CCM, skłoniło naukowców do spekulacji na temat prawdopodobnego momentu powstania mechanizmów takich jak pirenoid.
Istnieje kilka hipotez dotyczących pochodzenia pirenoidów. Wraz z rozwojem dużej flory lądowej po kolonizacji ziemi przez przodków glonów Charophyte , poziom CO 2 drastycznie spadł, przy jednoczesnym wzroście stężenia O 2 w atmosferze. Zasugerowano, że ten gwałtowny spadek poziomów CO 2 działał jako ewolucyjny czynnik napędzający rozwój CCM, a tym samym doprowadził do powstania pirenoidów, zapewniając, że tempo dostarczania CO 2 nie stało się czynnikiem ograniczającym fotosyntezę w obliczu spadający poziom CO 2 w atmosferze .
Zaproponowano jednak alternatywne hipotezy. Prognozy dotyczące przeszłych poziomów CO 2 sugerują, że mogły one wcześniej spaść tak gwałtownie, jak te obserwowane podczas ekspansji roślin lądowych: około 300 milionów lat temu, podczas ery proterozoicznej . W takim przypadku mogła wystąpić podobna presja ewolucyjna, która doprowadziła do rozwoju pirenoidu, chociaż w tym przypadku mogła rozwinąć się struktura pirenoidowa lub podobna do pirenoidu i została utracona, gdy poziomy CO 2 wzrosły, tylko do pozyskania lub ponownego zagospodarowania w okresie kolonizacji ziemi przez rośliny. W rogatkach znaleziono dowody na wielokrotne zyski i straty pirenoidów w stosunkowo krótkich okresach geologicznych.
Różnorodność
Pyrenoids znajdują się glonów rodów, niezależnie od tego, czy chloroplastów zostało odziedziczone po jednym endosymbiotycznymi zdarzenia (np glony zielone i czerwone , ale nie w glaukocystofity ) lub wiele zdarzeń endosymbiotycznymi ( okrzemki , wiciowce , coccolithophyceae , cryptophytes , chlorarachniophytes i euglenozoa ). Niektóre grupy alg nie posiadają jednak w ogóle pirenoidów: „wyższe” krasnorosty i ekstremofilne krasnorosty , zielone glony z rodzaju Chloromonas i „ złote algi ”. Pirenoidy są zwykle uważane za słabe markery taksonomiczne i mogą wielokrotnie ewoluować niezależnie.