Destino dei fotosintati

Amido o saccarosio?

Cosa succede al trioso-P?

Seguiamo prima il destino del trioso-P nel cloroplasto

Le prime reazioni sono le stesse della glicolisi / gluconeogenesi.

La formazione di DAP è favorita dal punto di vista termodinamico (Keq= 20)

Fructose 6P

Questa reazione NON avviene nel cloroplasto, ma solo nel citosol

Fructose 6P

ADP-Glucosio pirofosforilasi

Amilosio: polimero lineare

Amilopectina: polimero ramificato

Il problema di fondo: gli intermedi della fotosintesi hanno un turnover rapido; il rifornimento di precursori deve essere accoppiato alla rimozione di prodotti.

l’esporto di triosi fosfati deve essere accoppiato all’importo di fosfato nel cloroplasto. Il traslocatore dei TP ha appunto questo ruolo.

Seguiamo ora l’uscita del trioso-P nel citosol e il suo destino

Ogni molecola di Trioso-P che esce si porta dietro un fosfato. Se il fosfato non rientrasse, dopo un poco la fotosintesi si bloccherebbe

Come viene accoppiata la fotosintesi ai processi che usano i TriosiP?

Ruolo del Traslocatore del TP

Antiporto sulla membrana interna del cloroplasto

cloroplasto

DAPGAP DAP

PiPi

GAP

Sucrose

CO2

Cosa trasporta il traslocatore dei TP?

Km

(mM)

Vmax

(mol/mg chl · h)

Pi 0.30 57

DAP 0.13 51

GAP 0.08 41

3-PGA 0.14 36

2-PGA 2.80 24

1-PGA 1.10 59

Costanti cinetiche per il traslocatore dei TP da cloroplasti di spinacio

Nonostante la maggiore affinità per la GAP, il DAP è presente ad una concentrazione 10-20 volte più alta della GAP, per cui è quello trasportato più frequentemente

Dati da: Lea/Leegood, Plant Biochemistry and Molecular Biology (1993)

Evidenze per il ruolo del traslocatore

Fotosintesi in cloroplasti isolati: il fosfato in dose moderata nel mezzo esterno stimola la fotosintesi (da “Plant Metabolism”).

Immagine da: Lea/Leegood, Plant Biochemistry and Molecular Biology (1993)

La sintesi di amido raggiunge un massimo a concentrazioni di Pi più basse di quelle a cui la fotosintesi raggiunge il massimo

Influenza del [Pi] sulla fotosintesi

Si pensa che il traslocatore dei TP, in condizioni di alto flusso fotosintetico, non riesca a mantenere i pool di TP e Pi all’equilibrio

Troppo fosfato trascina fuori il PGA/TP, inibendo il ciclo di calvin, mentre troppo poco rallenta l’esporto di TP, che si accumula nel cloroplasto e stimola la sintesi di amido

Dati da: Plant metabolism (Dennis - Turpin)

Piante mutate in TPT crescono meno ad alta luce

Slower growth in the ape2 mutant. A, Images showing the growth of representative wild-type and ape2 plants under HL conditions. B, Rosette diameter determined from images of wild-type (s,h) and ape2 (d,j) plants, grown side by side under HL (s,d) or LL (h,j).

Il mutante cresce meno velocemente rispetto al wt, specialmente ad alta luce

Wild type

ape2

Stesse reazioni del plastidio

Il fruttosio 2,6 bisfosfato è presente a concentrazione bassissima (circa 1/1000 di quella del fruttosio 1,6 bisfosfato) e ha funzione di molecola segnale

UDP-glucosio pirofosforilasi

Coordinazione della sintesi amido e saccarosio

Cosa succede quando i [TP] salgono? (se GAP raddoppia, anche DAP aumenta quasi proporzionalmente)

Keq= [GAP]x[DAP]/ [F1,6 BP]

[F1,6 BP] = [GAP]x[DAP]/ Keq

Se i TP raddoppiano, [F1,6 BP] quadruplica!!

[Pi] scendeImmagine da: Plant metabolism (Dennis - Turpin)

Feedforward regulation: quando l’esporto di TP aumenta viene stimolata la sintesi di saccarosio e l’amido non si accumula.

La regolazione a Feedforward: coinvolgimento del Fru2,6BP

Quando i TP e il F1,6BP salgono…

L’effetto dei vari metaboliti su F6P 2-Kinasi e F2,6BP 2-Pasi porta ad una riduzione in F2,6BP

Se il TP sale nel citosol, il Pi deve scendere

inibiscono la F6P 2-Kinasi

Immagini da: Plant metabolism (Dennis - Turpin)

Figure da: http://www.kursus.kvl.dk/shares/plbiokem/200_studyplan/THN210904.pdf

Sorprendentemente, piante KO negli enzimi del metabolismo del F2,6BP non hanno praticamente fenotipo

The conversion of starch to sucrose in leaves in the dark is one of the largest metabolic fluxes in living organisms, amounting to tens of millions of tons of carbon every night…

Cosa succede all’amido accumulato di giorno?

Variazioni nei malto-oligosaccaridi durante la giornata

Fig. 2 Malto-oligosaccharides in wild-type Arabidopsis plants and three mutant lines impaired in starch breakdown. (a) The maltose content of wild-type Arabidopsis leaves during the diurnal cycle. (b) The maltose and maltotriose contents of the wild type (wt) and the mutants dpe1 (lacking chloroplastic D-enzyme); mex1 (lacking the chloroplast envelope maltose transporter) and dpe2 (lacking cytosolic glucosyltransferase). Note the change in scale on the y-axis.

L’amido viene degradato a maltosio e maltotrioso durante la notte ed esportato principalmente come maltosio

Cambio di scala

Immagine da: Zeeman S et al. (2004) The breakdown of starch in leaves New Phytologist 163:247–261

The maltose levels of mex1 were at least 40 times as high as those of wt leaves

Wt mex1

Il mutante dpe1 non ha un fenotipo forte: cresce più lentamente e ha problemi nella degradazione dell’amido

Il singolo mutante mex1 ha un fenotipo di crescita lenta e di clorosi (ridotta capacità di degradare l’amido e di esportare il fotosintato)

April 2001 Plant J 26, 89Jan 2003 J. Exp. Bot. 54, 577-583

Colorazione che mette in evidenza l’amido

Wild-type mex1 dpe1/mex1

The pale, slow-growing phenotype of the maltose transporter mutant mex1 and the severe phenotype of the double mutant mex1/dpe1, which also lacks D-enzyme. Plants were grown in long-day conditions (16 h light, 8 h dark) and photographed at the same age and at the same scale. Bar, 1 cm. For further details, see Niittylä et al. (2004).

L’attività enzimatica di dpe1 (chloroplastic D-enzyme): Glucano(n) + maltotrioso <-> glucosio + glucano(n+2)È un enzima disproporzionante; ne esiste una isoforma citosolica (DPE2)

Immagine da: Zeeman S et al. (2004) New Phytologist 163:247–261

Il doppio mutante dpe1/mex1 dimostra che la degradazione dell’amido genera anche maltotrioso e che quest’ultimo viene convertito in glucosio ed esportato

The current view

Proposed pathway of starch breakdown in Arabidopsis leaves. The sizes of the arrows and of the metabolite names indicate our estimates of the respective fluxes. Hatched arrows and/or question marks indicate steps where considerable uncertainty remains. The proteins represented by the italic numbers are as follows: 1, glucan, water dikinase; 2, -amylase; 3, isoamylase; 4, limit dextrinase; 5, chloroplastic -glucan phosphorylase; 6, -amylase; 7, D-enzyme; 8, glucose transporter; 9, maltose transporter; 10, triose-phosphate/phosphate translocator; 11, cytosolic glucosyltransferase; 12, hexokinase; 13, cytosolic -glucan phosphorylase. Da: Zeeman S et al. (2004)

Nel mutante del TPT questa via di esporto è molto ridotta

Abolita nel mutante mex1

Abolita in dpe1

Abolita in dpe2

Le tre principali vie di esporto: Traslocatore del maltosio, del glucosio e del triosoP

In rosso i nomi degli enzimi, in nero i metaboliti.

Gli ovali rossi sulla membrana indicano le 3 principali vie di uscita del fotosintato

L’eccesso di saccarosio che non viene esportato può rientrare nel cloroplasto ed essere convertito in amido

Traslocatori degli zuccheri fosfati identificati nel genoma di Arabisopsis

Translocator Geni e loro identificatore Composti transportati

TPT TPT (At5g46110) triose phosphates, 3-PGA

PPT PPT1 (At5g54800), PPT2 (At3g01550) PEP, 2-PGA

GPT GPT1 (At5g33320), GPT2 (At1g61800) G6P, triose phosphates

XPT (At5g17630)xylulose 5-phosphate, triose

phosphates

http://4e.plantphys.net/article.php?ch=8&id=342

BibliografiaSul traslocatore dei triosi fosfati:

Walters et al. (2004) A mutant of Arabidopsis lacking the triose-phosphate/phosphate translocator reveals metabolic regulation of starch breakdown in the light. Plant Physiol. 135:891-906.

Schneider et al. (2002) An Arabidopsis thaliana knock-out mutant of the chloroplast triose phosphate/phosphate translocator is severely compromised only when starch synthesis, but not starch mobilisation is abolished. Plant J. 32:685-99. Sul Fru 2,6 Bisfosfato:* Draborg H, Villadsen D, Nielsen TH. (2001) Transgenic Arabidopsis plants with decreased activity of fructose-6-phosphate,2-kinase/fructose-2,6-bisphosphatase have altered carbon partitioning. Plant Physiol. 126:750-8. * Kulma A, Villadsen D, Campbell DG, Meek SE, Harthill JE, Nielsen TH, MacKintosh C. (2004) Phosphorylation and 14-3-3 binding of Arabidopsis 6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-bisphosphatase. Plant J. 37:654-67. * Nielsen TH, Rung JH, Villadsen D. (2004) Fructose-2,6-bisphosphate: a traffic signal in plant metabolism. Trends Plant Sci. 9:556-63. * Rung JH, Draborg HH, Jorgensen K, Nielsen TH. (2004) Carbon partitioning in leaves and tubers of transgenic potato plants with reduced activity of fructose-6-phosphate,2-kinase/fructose-2,6-bisphosphatase. Physiol Plant. 121:204-214.

Sulla via di esporto del fotosintato:

Zeeman S et al. (2004) The breakdown of starch in leaves New Phytologist 163:247–261 (www.botany.unibe.ch/deve/carbohydrates/reprint/NewPhytol_163_247.pdf)

MEX: Niittylä et al., (2004) A Previously Unknown Maltose Transporter Essential for Starch Degradation in Leaves Science 303:87-89.D-Enzyme: Chiaet al. (2004) A cytosolic glucosyltransferase is required for conversion of starch to sucrose in Arabidopsis leaves at night. Plant J. 37:853-63.

Testi generali: Plant metabolism (Dennis - Turpin) e Lea/Leegood, Plant Biochemistry and Molecular Biology