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Destino dei fotosintati Amido o saccarosio?. Cosa succede al trioso-P? Seguiamo prima il destino del trioso-P nel cloroplasto.

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1 Destino dei fotosintati Amido o saccarosio?

2 Cosa succede al trioso-P? Seguiamo prima il destino del trioso-P nel cloroplasto

3 Le prime reazioni sono le stesse della glicolisi / gluconeogenesi. La formazione di DAP è favorita dal punto di vista termodinamico (K eq = 20) Fructose 6P

4 Questa reazione NON avviene nel cloroplasto, ma solo nel citosol Fructose 6P

5 ADP-Glucosio pirofosforilasi

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7 Amilosio: polimero lineare Amilopectina: polimero ramificato

8 Il problema di fondo: gli intermedi della fotosintesi hanno un turnover rapido; il rifornimento di precursori deve essere accoppiato alla rimozione di prodotti. lesporto di triosi fosfati deve essere accoppiato allimporto di fosfato nel cloroplasto. Il traslocatore dei TP ha appunto questo ruolo. Seguiamo ora luscita 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

9 Come viene accoppiata la fotosintesi ai processi che usano i TriosiP? Ruolo del Traslocatore del TP Antiporto sulla membrana interna del cloroplasto cloroplasto DAPGAPDAP PiPi PiPi GAP Sucrose CO 2

10 Cosa trasporta il traslocatore dei TP? K m (mM) V max (mol/mg chl · h) Pi DAP GAP PGA PGA PGA 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 volte più alta della GAP, per cui è quello trasportato più frequentemente Dati da: Lea/Leegood, Plant Biochemistry and Molecular Biology (1993)

11 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

12 Influenza del [P i ] sulla fotosintesi Si pensa che il traslocatore dei TP, in condizioni di alto flusso fotosintetico, non riesca a mantenere i pool di TP e P i allequilibrio Troppo fosfato trascina fuori il PGA/TP, inibendo il ciclo di calvin, mentre troppo poco rallenta lesporto di TP, che si accumula nel cloroplasto e stimola la sintesi di amido Dati da: Plant metabolism (Dennis - Turpin)

13 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

14 Stesse reazioni del plastidio

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16 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

17 UDP-glucosio pirofosforilasi

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20 Coordinazione della sintesi amido e saccarosio Cosa succede quando i [TP] salgono? (se GAP raddoppia, anche DAP aumenta quasi proporzionalmente) K eq = [GAP]x[DAP]/ [F1,6 BP] [F1,6 BP] = [GAP]x[DAP]/ K eq Se i TP raddoppiano, [F1,6 BP] quadruplica!! [P i ] scende Immagine da: Plant metabolism (Dennis - Turpin)

21 Feedforward regulation: quando lesporto di TP aumenta viene stimolata la sintesi di saccarosio e lamido non si accumula. La regolazione a Feedforward: coinvolgimento del Fru2,6BP Quando i TP e il F1,6BP salgono… Leffetto 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 P i deve scendere inibiscono la F6P 2-Kinasi Immagini da: Plant metabolism (Dennis - Turpin)

22 Figure da: Sorprendentemente, piante KO negli enzimi del metabolismo del F2,6BP non hanno praticamente fenotipo

23 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 allamido accumulato di giorno?

24 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. Lamido 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

25 Il mutante dpe1 non ha un fenotipo forte: cresce più lentamente e ha problemi nella degradazione dellamido Il singolo mutante mex1 ha un fenotipo di crescita lenta e di clorosi (ridotta capacità di degradare lamido e di esportare il fotosintato) April 2001 Plant J 26, 89 Jan 2003 J. Exp. Bot. 54, Colorazione che mette in evidenza lamido

26 Wild-type mex1dpe1/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). Lattività 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 dellamido genera anche maltotrioso e che questultimo viene convertito in glucosio ed esportato

27 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 ridottaAbolita nel mutante mex1 Abolita in dpe1 Abolita in dpe2

28 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

29 Leccesso di saccarosio che non viene esportato può rientrare nel cloroplasto ed essere convertito in amido

30 Traslocatori degli zuccheri fosfati identificati nel genoma di Arabisopsis TranslocatorGeni e loro identificatoreComposti transportati TPTTPT (At5g46110) triose phosphates, 3-PGA PPTPPT1 (At5g54800), PPT2 (At3g01550) PEP, 2-PGA GPTGPT1 (At5g33320), GPT2 (At1g61800) G6P, triose phosphates XPT (At5g17630) xylulose 5-phosphate, triose phosphates

31 Bibliografia Sul 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: 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: 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: * Kulma A, Villadsen D, Campbell DG, Meek SE, Harthill JE, Nielsen TH, MacKintosh C. (2004) Phosphorylation and binding of Arabidopsis 6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-bisphosphatase. Plant J. 37: * Nielsen TH, Rung JH, Villadsen D. (2004) Fructose-2,6-bisphosphate: a traffic signal in plant metabolism. Trends Plant Sci. 9: * 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: 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)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: D-Enzyme: Chiaet al. (2004) A cytosolic glucosyltransferase is required for conversion of starch to sucrose in Arabidopsis leaves at night. Plant J. 37: Testi generali: Plant metabolism (Dennis - Turpin) e Lea/Leegood, Plant Biochemistry and Molecular Biology


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