C4-planter

C4-fotosyntese: Effektiv karbonfangst og oppkonsentrering av CO₂ ved rubisko

Calvin og medarbeidere viste at det første stabile produktet etter CO₂ assimilasjon i grønnalgen Chlorella var 3-fosfoglycersyre. På 1950-tallet viste Kortschak ¹⁴CO₂ ble omdannet til C4-syrer i sukkerrør. Karpilov viste det samme i mais.  M.D. Hatch og C.R. Slack viste med  radioaktivt 14C-merket CO₂ (¹⁴CO₂ ) at malat (eplesyre) var det første stabile radioaktive produktet i fotosyntesen hos mais og sukkerrør, og at det var en C4-fotosyntetisk karbonsyklus.  Mais, sukkerrør, hirse, Sorghum, Atriplex, Amaranthus og tropiske savannegress har C4-dikarboksylsyrer (malat eller aminosyren aspartat) som stabile mellomprodukter og blir derfor kalt C4-planter. Denne typen fotosyntese blir kalt C4-metabolisme.  Planter som har C4-metabolisme har ofte to typer celler som samarbeider (krans-anatomi), men noen arter kan ha hele C4-metabolismen lokalisert til en celle.  

1) Ledningsstrengslireceller som ligger rundt ledningsstrengene og inneholder kloroplaster plassert sentrifugalt.

2) Vanlige mesofyllceller i bladet med kloroplaster uten stivelseskorn, men med stablete tylakoider.

  C4-plantene kan inndeles i 3 hovedtyper. Det er forskjellige variasjoner i C4-fotosyntese avhengig av om det lages malat (eplesyre) eller aminosyren aspartat. Inndelingen avhenger også av hvordan de dekarboksyleres og hva som returneres etter dekarboksylering (pyruvat eller alanin). C4-planter som har:

1) NADP-avhengig malat enzym i kloroplastene (NADPH-ME).

2) NAD-avhengig malat enzym i mitokondriene (NAD-ME).

3) fosfoenylpyruvat karboksykinase (PEP-KK).

  Først lages C4-syrer ved karboksylering av fosfoenolpyruvat i mesofyllcellene som deretter fraktes til slirecellene. C4-syrene dekarboksyleres i slirecellene, frakter CO₂ som i høy konsentrasjon gir lav fotorespirasjon.  Deretter fikseres frigitt CO₂ i Calvin-syklus i de grønne slireceller med kloroplaster som  er karakteristisk for C4-metabolisme. Transporten av C4-syrer og andre C4-metabolitter skjer gjennom plasmodesmata.

  C4-plantene har høy aktivitet av enzymet karbon anhydrase i mesofyllcellene, men lav aktivitet i slirecellene. Dette gjør at konsentrasjonen av HCO₃^-, substratet for PEP-karboksylase, øker i mesofyllcellene. Slirecellene har lav permeabilitet for CO₂, noe som bidrar til høyt partialtrykk av CO₂ der hvor rubisko befinner seg. Det vil også bety lav konsentrasjon av karbondioksid i intercellularrommene, noe som gir en brattere CO₂-gradient fra utsiden. Temperaturoptimum for PEP-karboksylase er også høyere enn for rubisko.  Reassimilering av CO₂ fra mitokondriell respirasjon i epler gjør at malat akkumuleres i frukten. C4-syklus har et høyere energikrav enn Calvinsyklus og krever 2 ATP ekstra, i alt 5ATP og 2 NADPH for hvert CO₂ fiksert.

Karboksylering i mesofyllcellene

PEP-karboksylase katalyserer reaksjonen mellom bikarbonat (HCO₃^-) og fosfoenolpyruvat (PEP). V i kjenner til bruken av bikarbonat som natron (NaHCO₃) eller hornsalt (NH₄HCO₃). Enzymet bruker bikarbonat som substrat i stedet for CO₂. Produktet blir oksaleddiksyre. Affinitet til karbon for enzymet PEP-karboksylase er mye høyere enn for rubisko og enzymet har derved lavere K_m-verdi.

Det finnes flere forskjellig PEP-karboksylase i planter, relatert til forskjellige biosynteseveier.  Aktiviteten til PEP-karboksylase reguleres via fosforylering og defosforylering.

fosfoenolpyruvat + HCO_3- + H₂O → oksaleddiksyre

Pyruvat importeres til mesofyllkloroplastene hvor fosfoenolpyruvat lages katalysert av pyruvat P_i-dikinase i stroma i kloroplastene:

pyruvat + ADP → fosfoenolpyruvat + AMP + PPi

Adenylat kinase omdanner AMP til ADP

 Dette enzymet omdanner ATP til AMP og det trengs 2 ATP for å bringe AMP tilbake til ATP, noe som forklarer det høyere energikravet hos C4-planter sammenlignet med C3-planter. Pyruvat-fosfat dikinase inaktiveres av ADP-avhengig fosforylering ved lav lysfluks.

   Fosfoenolpyruvat fraktes ut i cytoplasma hvor PEP-karboksylase befinner seg. Oksaleddiksyre fraktes til kloroplasten hvor den omdannes til malat katalysert av NADP-malat dehydrogenase:

oksaleddiksyre + NADPH ⇔ malat + NADP⁺

NADP-malat dehydrogenase påvirkes av lys og kan bli aktivert av thioredoksin hvor enzymet med -SH er aktivt og -S-S- er inaktivt. Malat fraktes til slirecellene hvor den blir dekarboksylert.

   Noen C4-planter lager aspartat istedet for malat katalysert av aspartat aminotransferase som finnes i cytoplasma i mesofyllcellene. Dekarboksyleringen av malat skjer i slirecellene katalysert av NAD(P)-malat enzym.

malat + NADP⁺ → pyruvat + CO₂ + NADPH

Pyruvat dannet i reaksjonen fraktes tilbake til slirecellene, og blir regenerert til fosfoenolpyruvat. Panicum maximum har høyt innhold av aspartat aminotransferase og CO₂ kommer fra dekarboksylering av oksaleddiksyre katalysert av PEP karboksykinase:

oksaleddiksyre + ATP → fosfoenolpyurvat + CO₂ + ADP

 C4-plantene har et lavt CO₂-kompensasjonspunkt (0-5 ppm CO₂) sammenlignet med C3-plantene (35-70 ppm CO₂), og de mister lite CO₂ i fotorespirasjonen siden C4-syklus virker som en oppkonsentrerende CO₂-pumpe. Om natten på PEP karboksylase aktiviteten reduseres, og enzymet hemmes av malat og aktiveres av glukose-6-fosfat. Hos CAM-planter er følsomheten for malat høyere om dagen og det finnes dag- og nattformer av PEP-karboksylase som styres via fosforylering/defosforylering.

Lys regulerer flere enzymer i C4-metabolismen:

1) PEP karboksylase regulert av lysavhengig fosforylering.

2) NADP-malat dehydrogenase via thioredoksin.

3) Pyruvat-P_i-dikinase regulert av ADP-avhengig fosforylering.

Assimilering og reduksjon av ett molekyl karbondioksid hos C3-planter trenger tre molekyler ATP og 2 molekyler NADPH. Det er to måter det går an å skaffe seg ekstra ATP i forhold til NADPH og det er syklisk og pseudosyklisk elektrontransport. Syklisk elektrontransport rundt fotosystem I hvor elektroner fra ferredoksin eller NADPH fraktes tilbake til plastokinon og P700 via cytokrom b/f-komplekset og plastocyanin. pH gradienten kan regulere elektronstrømmen. Er det ikke NADP⁺ tilgjengelig fordi alt er redusert vil elektroner gå inn i syklisk og pseudosyklisk elektrontransport.

 Blad med C4-fotosyntese trenger 5 ATP og 2 NADPH for hver CO₂ redusert. Mesofyllcellene har samme ATP og NADPH krav som C3 plantene, men slirecellene har ekstra krav på ATP, laget ved syklisk elektrontransport rundt PSI og NADPH kan lages ved malatdekarboksylering.

I arter som Borszczowia aralocaspica og Bienentia cycloptera har oppkonsentrering av CO₂ og C4-syklus i kompartementer i en celle. Kloroplastene med rubisko ligger nær inntil mitokondrier med malatenzym som frigir CO₂. C4-planter kan forekomme i den tempererte sone f.eks. havstrandgras som Spartina townsendii og Spartina anglica.

C4-planter utnytter nitrogen mer effektivt enn. C3-planter kan inneholde opptil fem ganger så mye rubisko som C4-planter, slik at C3-plantene har større behov for nitrogen enn C4-plantene.

 I C4 plantene opererer rubisko ved CO₂-metning, men hos C3-planter opererer rubisko med bare 25 % av sin kapasitet. I C3- planter er 50 % av bladproteinet rubisko, sammenlignet med bare 5-10 % hos C4-planter, og bare ca. 4% ekstra nitrogen trengs til PEP-karboksylase. Det er imidlertid vanskelig å dele strengt i C3- og C4-planter fordi CO₂assimilasjon skjer i stor skala i reproduktive organer hos C3- planter, korn, erter, frukt. Dette kan indikere mer effektiv utnyttelse av karbondioksid i disse organene selv om de mangler kransanatomi. PEP-karboksylase er også velfungerende i sukkulente planter bergknappfamilien (Crassulaceae) og ananasfamilien (Bromeliaceae) som er veltilpasset til tørre områder. Dette er sukkulenter som har lite overflateareal i forhold til hver enhet med friskvekt. CAM-plantene skiller seg fra C4- plantene på flere måter: Stomata er åpne om natten og lukket dagen. CO₂ kommer inne i bladene og assimileres via PEP-karboksylase i cytoplasma og oksaleddiksyre reduseres til malat som lagres i vakuolene.

Oppkonsentrering av CO₂ i planter og alger

Konsentrasjonen av CO₂ i vann i likevekt med luft er ca. 10 mikomolar (μM). Sammenlignet med dette er K_m-verdien for CO₂ til rubisko mellom 15-25 μM hos C3-planter og hos blågrønnbakterier kan K_m-verdien være opptil 200 μM. Derimot er PEP karboksylase mettet med substrat (HCO₃^-) under de samme betingelsene. Hos C4-plantene oppkonsentreres CO₂ i slirecellene via transport av C4-syrer. I motsetning til hos planter hvor rubsiko er spredt rundt i stroma i kloroplastene ligger rubisko i karboksysomer hos blågrønnbakterier og i pyrenoid i alger.

Karbon anhydrase er et zinkenzym som katalyserer likevekten mellom bikarbonat og karbondioksid:

CO₂ + H₂O ⇔ HCO₃^- + H⁺

Moroney, J.V. & Somanchi, A.: How do algae concentrate CO₂ to increase the efficiency of photosynthetic carbon fixation ? Plant Physiol. 119 (1999) 9-16.

Tilbake til hovedside