C4 planter

Selv Om Rubisco er ansvarlig for den store hoveddelen av organisk karbon på Jordens overflate, kan oksygenaseaktiviteten redusere fotosyntetisk effektivitet sterkt. Noen planter har utviklet en måte å minimere oksygenaseaktiviteten Til Rubisco.

Læringsmål

• Identifiser forholdene som øker oksygenaseaktiviteten Til Rubisco
• Beskriv hvordan oksygenaseaktiviteten Til Rubisco reduserer fotosyntetisk effektivitet
• Skille C3 og C4-ordninger for karbonfiksering
• Veie fordeler og ulemper Ved C3 versus C4
• Sammenligne og kontrast fotosyntese og respirasjon, og deres forhold i de globale karbon-og oksygen syklusene.

Rubiscos oksygenaseaktivitet svekker fotosyntetisk effektivitet
Rubisco har oksygenaseaktivitet så vel som karboksylaseaktivitet; Det løser Noen Ganger O2 Til RuBP i stedet FOR CO2. Oksygenaseaktiviteten oppstår ved lave CO2, høye o2-forhold, og blir uttalt ved høye temperaturer. Som et resultat oksyderes organisk karbon, det motsatte av fotosyntese, noe som reduserer uorganisk karbon for å lage organisk karbon.

oksygeneringen av RuBP produserer 2-fosfoglykolat, en 2-karbon giftig forbindelse som gjennomgår en rekke reaksjoner i peroksisomet og mitokondriene, frigjør CO2 OG resulterer i tap av organisk karbon og energiproduksjon. Denne prosessen kalles fotorespirasjon-et veldig misvisende navn for studenter, fordi det ikke har noe å gjøre med respirasjon og gir ingen ATP. Alle Biol 1510 studenter trenger å huske om fotorespirasjon er at det reduserer fotosyntetisk effektivitet, og at Det oppstår når Rubisco oksygenerer RuBP i stedet for karboksylerende RuBP.

Rubisco utviklet seg selv før oksygen fotosyntese, da det ikke var oksygen i atmosfæren eller i havvannet, så det var ingen valg mot oksygenaseaktivitet. Likevel, i over 2 milliarder år, har verken natur eller menneskelig genteknologi vært i stand til å eliminere eller til og med redusere oksygenaseaktiviteten Til Rubisco uten å påvirke karboksylaseaktiviteten.C4 planter har utviklet en mekanisme for å levere CO2 Til Rubisco For at planter skal ta INN CO2, må de åpne strukturer kalt stomata på bladene, som er porer som tillater gassutveksling. Planter mister også vanndamp gjennom stomata, noe som betyr at de kan dø av dehydrering under tørre forhold, da de holder stomata åpne for fotosyntese. Som svar lukker plantene deres stomata for å forhindre dehydrering. De umiddelbare * konsekvensene av lukket stomata på kort sikt er redusert CO2-konsentrasjon (CO2-nivåene reduseres ettersom det brukes til fotosyntese) og økt o2-konsentrasjon (O2-nivåene øker ettersom det produseres ved fotosyntese). De stigende o2-nivåene øker fotorespirasjonen (reaksjon av rubisco med oksygen i stedet for karbondioksid), da reduserer effektiviteten av rubisco drastisk, som allerede er et veldig sakte enzym. Så dette betyr at planter i tørre forhold er i fare for dehydrering hvis de åpner stomata for å fremme gassutveksling, eller manglende evne til å produsere sukker hvis de holder stomata lukket for å minimere dehydrering. (*den langsiktige konsekvensen av permanent lukket stomata er død ved kvelning da mitokondriene går tom for oksygen for å utføre respirasjon.Mange planter som lever i varme og / eller tørre forhold har utviklet en alternativ karbonfikseringsvei for å forbedre effektiviteten til rubisco, slik at de ikke trenger å holde stomata åpne så mye, og dermed reduserer de risikoen for å dø av dehydrering. Disse plantene kalles c4-planter, fordi det første produktet av karbonfiksering er en 4-karbonforbindelse(i stedet for en 3-karbonforbindelse som I C3 eller» normale » planter). C4-planter bruker denne 4-karbonforbindelsen til effektivt å «konsentrere» CO2 rundt rubisco, slik at rubisco er mindre sannsynlig å reagere med O2.

Det er to viktige tilpasninger som tillater c4-planter å gjøre dette:

• Først bruker C4-planter et alternativt enzym for det første trinnet med karbonfiksering. Dette enzymet kalles fosfoenolpyruvat (PEP) karboksylase, og det har ingen oksygenaseaktivitet og har en mye høyere affinitet FOR CO2 enn rubisco. Som navnet «pep carboxylase» antyder, legger enzymet CO2 til en forbindelse kalt fosfoenolpyruvat (PEP).For Det Andre har C4-planter spesialisert bladanatomi med to forskjellige typer fotosyntetiske celler: mesophyll celler (på utsiden av bladet, nær stomata) og bunt kappe celler (i det indre av bladet, langt borte fra stomata). Rubisco ligger i buntskjede celler, men ikke i mesofyllceller.

slik fungerer alt dette:

PEP-karboksylase ligger i mesofyllcellene, på bladets eksteriør nær stomata. Det er ingen rubisco i mesofyllcellene. CO2 som kommer inn i stomata, festes raskt av pep-karboksylase til en 4-karbonforbindelse, kalt malat, ved å feste CO2 TIL PEP. Malatet transporteres deretter dypere inn i bladvevet til buntskjedecellene, som begge er langt borte fra stomata (og dermed langt borte fra oksygen) og inneholder rubisco. En gang inne i buntskjedecellene blir malat dekarboksylert for å frigjøre pyruvat OG CO2; CO2 blir deretter løst av rubisco som en del Av Calvin-syklusen, akkurat som I C3-planter. Pyruvat returnerer deretter til mesofyllcellene, hvor et fosfat fra ATP brukes til å regenerere PEP. Således i c4-anlegg har C4 karbonfiksering en netto tilleggspris på 1 ATP for HVER CO2 levert til rubisco; Men c4 planter er mindre sannsynlig å dø av dehydrering sammenlignet Med C3 planter i tørre forhold.

bildet nedenfor illustrerer veien vi nettopp beskrev:

Hva biol 1510-studenter trenger å huske Om C4 er at disse plantene har lagt TIL EN co2-konsentrasjonsmekanisme for å mate rubisco og Calvin-syklusen; mekanismen bruker pep-karboksylase for Å Lage En 4-karbonforbindelse, som deretter frigjør co2 til rubisco i bladceller som er utsatt for lite oksygen. Selv om denne mekanismen reduserer oksygenaseaktiviteten til rubisco, har den en ekstra energikostnad i form av en ANNEN ATP per mol CO2 fast.Den (beskårte) videoen nedenfor gir en flott oversikt sammenligning Av C3 vs C4 fotosyntese, men vær oppmerksom på følgende problemer med denne videoen: videoen gjør Det høres ut Som Om RuBP katalyserer sin egen reaksjon MED CO2 for å danne til 2 molekyler av 3-karbon 3PG, i stedet for å være en av reaktantene i denne reaksjonen. Denne enzymatiske reaksjonen katalyseres av rubisco, og det er rubisco som har oksygnaseaktivitet, ikke RuBP! Videoen gjør også at DET høres UT SOM PEP katalyserer sin egen reaksjon MED CO2 for å danne 4-karbonmalat, når denne reaksjonen i virkeligheten katalyseres av pep-karboksylase.

https://www.youtube.com/watch?v=HbLg4lMpUa

hvis du vil vite mer, gir videoen nedenfor en mer grundig (om enn litt treg) illustrasjon av denne prosessen:Fordeler Og ulemper Ved c4-og c3-karbonfiksering C4-planter vokser bedre enn C3-planter under varme, tørre forhold når planter må lukke stomata for å spare vann – med stomata lukket, CO2-nivåer i det indre av bladfallet og O2-nivåene stiger.

C3-planter vokser bedre Enn C4-planter under kjølige, fuktige forhold når planter kan åpne stomata, fordi c3-planter ikke pådrar seg tilleggskostnaden FOR ATP Av c4-karbonfiksering.

Fotosyntese og Respirasjon: speilbilder
de kjemiske ligningene for oksygen fotosyntese og aerob respirasjon er nøyaktig motsatt av hverandre.en balanse mellom den globale frekvensen av fotosyntese (primærproduksjon) og globale respirasjonshastigheter er nødvendig for å opprettholde stabile atmosfæriske konsentrasjoner AV CO2 og O2.i eukaryoter forekommer både fotosyntese og respirasjon i organeller med doble membraner og deres egne sirkulære genomer, som oppsto som prokaryotiske endosymbionter.begge prosessene har elektrontransportkjeder, kjemiosmose og ATP-syntase drevet av protonmotivkraft.

powerpoint-lysbildene som brukes i videoskjermen, er i lysbildesettet For Karbonfiksering.