ชีวเคมีของพืช ภาคปลาย 2555 1 01402461 Plant Biochemistry ชีวเคมีของพืช ภาคปลาย 2555

2 Textbook Florence K. Gleason 2012 ร้าน PBFORBOOK เล่มละ 950 บาท

3 Website ชีวเคมี กำแพงแสน biochem.flas.kps.ku.ac.th

4 5 พ.ย. 55 แนะนำรายวิชา

12 พ.ย. 55 Primary Cell Walls ผนังเซลล์ปฐมภูมิ ผนังเซลล์เป็นลักษณะสำคัญของเซลล์พืช ค้ำจุนสร้างความแข็งแรงให้เนื้อเยื่อ ท่อลำเลียง ป้องกันการรุกรานของเชื้อโรค สัตว์กินพืช สร้างจากสารที่ได้ในกระบวนการสังเคราะห์แสง องค์ประกอบหลักเป็นเซลลูโลส

เซลลูโลส เซลลูโลส คือ กลูโคสที่มาเชื่อมต่อกันด้วยพันธะ β-1,4 6 เซลลูโลส เซลลูโลส คือ กลูโคสที่มาเชื่อมต่อกันด้วยพันธะ β-1,4 สายเซลลูโลสประกอบกันเป็นเส้นใยย่อย fibril ไฟบริล ฝังอยู่ใน matrix ของเฮมิเซลลูโลสกับเพคติน พันธะไฮโดรเจนและพันธะไอออนิก ช่วยรักษาความแข็งแรงของผนังเซลล์

การสังเคราะห์เซลลูโลส 7 การสังเคราะห์เซลลูโลส อาศัยเอนไซม์ cellulose synthase ใช้ UDP-glucose เป็น substrate การสร้าง UDP-glucose ใช้ปฏิกิริยา 2 ชนิด คือ sucrose synthase และ UDP-glucose pyrophosphorylase นอกจากนี้เอนไซม์ invertase ก็ใช้สร้างกลูโคสได้ด้วย Cellulose synthase สร้างมาจากยีน cesA

เอนไซม์ฝังตัวอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ 8 Cellulose synthase ทำหน้าที่ขนส่งกลูโคสไปต่อกับปลายโมเลกุลของเซลลูโลสที่มีอยู่แล้ว เอนไซม์ฝังตัวอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ การทำเอนไซม์ให้บริสุทธิ์ทำได้ยากเพราะไม่ค่อยละลายน้ำและมีโมเลกุลใหญ่ ส่วนใหญ่จะศึกษากันในแบคทีเรีย เช่น Bacillus และ Acetobacter เอนไซม์ประกอบด้วย กรดอะมิโนราว 1,100 หน่วย

Callose แคลโลส กลูโคสมาต่อกันด้วยพันธะ β-1,3 และมีกิ่งด้วย 9 Callose แคลโลส กลูโคสมาต่อกันด้วยพันธะ β-1,3 และมีกิ่งด้วย ใช้เอนไซม์ที่สร้างจากยีน calS พืชสร้างแคลโลสจากความเครียดและรอยแผล

Wall Matrix ประกอบด้วย sugar polymers 10 Wall Matrix ประกอบด้วย sugar polymers สังเคราะห์โดยใช้เอนไซม์ glycosyltransferase ที่อยู่ในเมมเบรนของ ER หรือ Golgi apparatus Matrix ประกอบด้วยสาร 2 กลุ่มคือ hemicellulose กับ pectin

Hemicellulose แยกออกมาจากผนังเซลล์ได้โดยใช้เบสแก่ 11 Hemicellulose แยกออกมาจากผนังเซลล์ได้โดยใช้เบสแก่ ประกอบด้วย xyloglucan กับ xylan สร้างพันธะไฮโดรเจนกับไฟบริลได้ ช่วยให้ไฟบริลยืดหยุ่นมากขึ้น ไม่จับกันแน่น

Pectin แยกออกมาจากผนังเซลล์ได้โดยใช้ EDTA ประกอบด้วย กรด galacturonic 12 Pectin แยกออกมาจากผนังเซลล์ได้โดยใช้ EDTA ประกอบด้วย กรด galacturonic มี 4 ชนิด Homogalacturonan Rhamnogalacturonan I Rhamnogalacturonan II Xylogalacturonans & apiogalacturonan

Pectin หน้าที่ของ pectin เพิ่มความแข็งแรงของผนังเซลล์ 13 Pectin หน้าที่ของ pectin เพิ่มความแข็งแรงของผนังเซลล์ ควบคุมความพรุน (porosity) ของผนังเซลล์ ควบคุมการผ่านเข้าออกของน้ำและสารโมเลกุลเล็ก เชื่อมเซลล์เข้าด้วยกัน

Protein เอนไซม์ Kor (endo-1,4-β-glucanase) ทำให้ผนังเซลล์หลวมขึ้น 14 Protein เอนไซม์ Kor (endo-1,4-β-glucanase) ทำให้ผนังเซลล์หลวมขึ้น Peroxidase สร้าง cross-links ระหว่างคาร์โบไฮเดรตกับโปรตีนโครงสร้าง ทำให้ผนังเซลล์แข็งแรงขึ้น Wall kinase ทำหน้าที่เกี่ยวกับ signal transduction เมื่อถูกเชื้อโรครุกราน

Protein โปรตีนโครงสร้าง 15 Protein โปรตีนโครงสร้าง Extensins สร้าง cross-link กับโปรตีนอื่น ๆ ของผนังเซลล์ เป็นด่านป้องกันเชื้อโรค Expansins จับกับไฟบริล ทำให้ไม่เกิดพันธะ noncovalent ใน matrix ช่วยให้ผนังเซลล์หลวมขึ้น

12 พ.ย. 55 (ต่อ) การสังเคราะห์แสง (light reaction) 16 12 พ.ย. 55 (ต่อ) การสังเคราะห์แสง (light reaction) สิ่งมีชีวิตกำเนิดขึ้นมา 3.5-3.0 พันล้านปีมาแล้ว ออกซิเจนทำให้เกิดโอโซน ป้องกันรังสี UV สิ่งมีชีวิตพวกแรก ๆ ใช้ H2S แทน H2O เป็นตัวให้อิเล็กตรอน ได้ผลิตภัณฑ์เป็นกำมะถัน การทดลองของ Ruben กับ Kamen โดยใช้ 18O พิสูจน์ว่า O2 มาจากน้ำ

Photosynthetic Pigments 17 Photosynthetic Pigments Chlorophyll a ประกอบด้วย tetrapyrrole ring มี Mg เป็นอะตอมกลาง มี phytol side-chain ซึ่งเป็นส่วน hydrophobic ทำให้คลอโรฟิลล์ไม่ค่อยละลายน้ำ

Photosynthetic Pigments 18 Photosynthetic Pigments Chlorophyll b พบมากใน angiosperms มีหมู่ aldehyde แทนหมู่ methyl ช่วยเสริมการดูดแสงกับ chlorophyll a ทำให้มีช่วงที่ดูดแสงได้กว้างขึ้น (แต่ก็ยังดูดช่วงสีเขียวไม่ได้)

Accessory Pigments Lycopene และ β-carotene 19 Accessory Pigments Lycopene และ β-carotene เป็นพวก carotenoids ประกอบด้วย 40-C ดูดกลืนแสงในช่วงสีม่วงน้ำเงิน ช่วยเสริมการดูดกลืนแสงและป้องกันองค์ประกอบสังเคราะห์แสงจากการทำลายของรังสีที่มากเกินไป (ป้องกัน photo-oxidative damage)

Origin of the Z-Scheme Emerson Enhancement 20 Origin of the Z-Scheme Emerson Enhancement พิสูจน์ว่า มี Photosystem 2 ชุด เสริมการทำงานกัน เพราะเมื่อฉายแสงในช่วงความยาวคลื่น 2 ความยาวคลื่น คือ 680 และ 700 nm พร้อมกัน จะทำให้อัตราการสังเคราะห์แสงสูงกว่าผลรวมของอัตราที่เกิดจากการฉายแสงทีละความยาวคลื่นมาก

Photosynthesis inhibitors 21 Photosynthesis inhibitors Paraquat ยับยั้งการขนส่งอิเล็กตรอนจาก PSI โดยรับอิเล็กตรอนจาก PSI และยับยั้งการรีดิวซ์ ferredoxin กับ NADP นอกจากนี้ยังขนส่งอิเล็กตรอนไปยังออกซิเจน ทำให้เกิด superoxide และ hydroxyl radicals ทำลายเมมเบรน

19 พ.ย. 55 Carbon Dioxide Fixation 22 19 พ.ย. 55 Carbon Dioxide Fixation กระบวนการสังเคราะห์แสงประกอบด้วย ปฏิกิริยา redox 2 ปฏิกิริยา คือ light reaction กับ dark reaction Light reaction เปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานเคมี ในรูปของ NADPH และ ATP Dark reaction เป็นการรีดิวซ์ CO2 เป็นคาร์โบไฮเดรต โดยใช้พลังงานใน NADPH และ ATP

ส่วนมากงานวิจัยจะศึกษาในสาหร่ายเซลล์เดียว เช่น Chlorella sp. 23 การศึกษากระบวนการตรึง CO2 ทำได้ยาก เพราะองค์ประกอบที่ละลายน้ำได้จะสูญหายไปถ้า Outer membrane เสียหาย ส่วนมากงานวิจัยจะศึกษาในสาหร่ายเซลล์เดียว เช่น Chlorella sp. M.Calvin, A. Benson, J. Bassham และทีมงานศึกษาโดยใช้ 14C พบว่าสารตัวแรกของกระบวนการ fixation คือ สารประกอบ 3 C “glyceric acid-3-phosphate”

แต่ถ้าไม่มีแสง ก็จะมี NADPH กับ ATP ไม่เพียงพอสำหรับการตรึง CO2 24 C-3 pathway มักจะเรียกว่า dark reaction เพราะไม่มีแสงเข้ามาเกี่ยวข้องโดยตรง แต่ถ้าไม่มีแสง ก็จะมี NADPH กับ ATP ไม่เพียงพอสำหรับการตรึง CO2 นอกจากนี้เอนไซม์ใน C-3 pathway ยังต้องการการกระตุ้นด้วยแสง และถ้าอยู่ในที่มืดสนิทจะทำงานได้ช้า ดังนั้นการเรียกว่า dark reaction ทำให้เข้าใจผิด

C-3 cycle C-3 cycle แบ่งออกเป็น 3 กระบวนการ 25 C-3 cycle C-3 cycle แบ่งออกเป็น 3 กระบวนการ การเกิด carboxylation ของ ribulose-bis-phosphate (RuBP) ได้ 2 โมเลกุลของ glyceric acid-3-phosphate การ reduction ของ glyceric acid-3-phosphate เป็น glyceraldehyde-3-phosphate (GAP) การเกิด metabolism ของ GAP ต่อไป และกลับมาเป็น RuBP อีกครั้ง

Carboxylation Rubisco 26 Carboxylation Rubisco คือเอนไซม์ ribulose bisphosphate carboxylase ซึ่งจัดเป็นโปรตีนที่มีมากที่สุดในโลก ประกอบด้วย L กับ S subunits ยีนสำหรับ L อยู่ใน chloroplast genome ส่วน S อยู่ใน nuclear genome มีการโคลนเข้าไปใน E.coli แต่ไม่ค่อยทำงาน

Structure of Rubisco Structure of Rubisco 27 Structure of Rubisco Structure of Rubisco มีการศึกษาใน purple nonsulfur bacteria พบว่าประกอบด้วย L 2 subunits ส่วนการศึกษาในพืช เช่น ผักปวยเล้ง (spinach) พบว่าเป็นแบบ L8S8 กระบวนการ photorespiration เกิดขึ้นจาก Rubisco ไปจับกับ O2 ได้ด้วย ทำให้เกิดความสูญเสีย ลดประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสง

Structure of Rubisco Specificity Factor of Rubisco 28 Structure of Rubisco Specificity Factor of Rubisco Relative specificity factor หมายถึงสัดส่วนของประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยาของ Rubisco ในการทำหน้าที่เป็น carboxylase เทียบกับการทำหน้าที่เป็น oxygenase

CO2 Concentrating Mechanisms 29 CO2 Concentrating Mechanisms C-4 Pathway H. Hatch และ R. Slack ได้ทดลองในอ้อย พบว่าสารตัวแรกที่ติดฉลากด้วย 14C ที่เป็นผลิตภัณฑ์ในกระบวนการสังเคราะห์แสง มี 4 คาร์บอน แทนที่จะเป็น 3 คาร์บอน พืช C4 ส่วนมากเป็นพวก monocots เช่นพวกหญ้า อ้อย ข้าวโพด

CO2 Concentrating Mechanisms 30 CO2 Concentrating Mechanisms พืช C4 ไม่ค่อยมี chloroplast บริเวณ mesophyll cells มี Kranz anatomy มองเห็นคล้ายพวงหรีดบริเวณ bundle sheath cells ปัจจุบันมีความพยายามเปลี่ยนข้าวให้เป็นพืช C4 (อ่านเพิ่มเติมได้ใน Wikipedia) http://en.wikipedia.org/wiki/C4_carbon_fixation

26 พ.ย.55 บทที่ 3 บทที่ 3 การสะสมและการใช้ประโยชน์จากสารประกอบคาร์บอน 31 26 พ.ย.55 บทที่ 3 บทที่ 3 การสะสมและการใช้ประโยชน์จากสารประกอบคาร์บอน Light reaction ใช้พลังงานแสงอาทิตย์เปลี่ยนเป็นพลังงานเคมีในรูปของ ATP และ reduced cofactor C-3 cycle ใช้พลังงานนี้ในการตรึง CO2 ในบรรยากาศ ให้อยู่ในรูปของน้ำตาล

สารตัวกลางใน C-3 cycle ยังส่งออกไปสังเคราะห์น้ำตาลซูโครสในไซโตพลาซึม 32 น้ำตาลที่ได้ นำไปใช้เป็นตัวกลางในการสังเคราะห์สารอื่น ๆ ต่อไป โดยอยู่ภายในส่วน stroma ของคลอโรพลาสต์ คาร์บอนที่มากเกินพอ ก็นำมาสังเคราะห์เป็นแป้งและเก็บสะสมไว้ในพลาสติด และนำออกมาใช้ประโยชน์ได้ สารตัวกลางใน C-3 cycle ยังส่งออกไปสังเคราะห์น้ำตาลซูโครสในไซโตพลาซึม

แป้ง (starch) เป็นโพลิเมอร์ของกลูโคส อยู่ภายในพลาสติด 33 แป้ง (starch) เป็นโพลิเมอร์ของกลูโคส อยู่ภายในพลาสติด ประกอบด้วย amylose กับ amylopectin แป้งมีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็น amylopectin การสังเคราะห์แป้งเกิดขึ้นในใบ ในส่วน stroma ของคลอโรพลาสต์ สารตั้งต้นคือ F6P ดูโครงสร้างของแป้งในภาพ 3.10

การสังเคราะห์ซูโครส เกิดขึ้นในไซโทพลาซึม 34 การสังเคราะห์ซูโครส เกิดขึ้นในไซโทพลาซึม ซูโครส เป็นน้ำตาลที่ใช้ขนส่งในพืชมากที่สุด จัดเป็นน้ำตาลที่เฉื่อย และไม่ใช่น้ำตาลรีดิวซ์ ถูกย่อยด้วย invertase กลับเป็น Glc และ Fru ดู pathway การสังเคราะห์น้ำตาลซูโครสในภาพที่ 3.12

17 ธ.ค. 55 บทที่ 5 บทที่ 5 N & S Metabolism 35 17 ธ.ค. 55 บทที่ 5 บทที่ 5 N & S Metabolism สารอนินทรีย์ที่พืชต้องการแบ่งออกเป็น macronutrient กับ micronutrient Macronutrient: N P K S Micronutrient: Cl B Fe etc. สารที่มี N เป็นองค์ประกอบ เช่น กรดอะมิโน กรดนิวคลีอิก และโคแฟกเตอร์ต่าง ๆ เช่น NADP biotin

36 Nitrate Assimilation Nitrate (NO3-) ละลายน้ำได้ดี และพืชนำไปใช้ได้ โดยเฉพาะในดินที่เป็นด่าง Ammonia (NH4+) มักจะจับกับอนุภาคดินที่เป็นประจุลบ ทำให้นำไปใช้ได้ไม่ค่อยดี การขนส่งไนเตรท ใช้วิธี active transport โดยมีโปรตีนสำหรับขนส่ง คือ HAT และ LAT การขนส่งแอมโมเนียจากราก สามารถเก็บไว้ใน vacuole ได้ แต่ไม่ขนส่งไปที่ใบ

37 Nitrate Processing การเปลี่ยนไนเตรทเป็นแอมโมเนียและกรดอะมิโน เกิดขึ้นในเนื้อเยื่อสังเคราะห์แสง เอนไซม์ตัวแรกคือ nitrate reductase เปลี่ยนไนเตรทเป็นไนไตรท์ พบใน cytoplasm ของ mesophyll cell ไนไตรท์ เป็นสารที่ไม่เสถียร และจะเปลี่ยนเป็นแอมโมเนียโดยใช้เอนไซม์ nitrite reductase

Nitrogen Fixation เฉพาะ prokaryote เท่านั้นที่ตรึงไนโตรเจนได้ 38 Nitrogen Fixation เฉพาะ prokaryote เท่านั้นที่ตรึงไนโตรเจนได้ ใช้เอนไซม์ nitrogenase เอนไซม์ nitrogenase ต้องทำงานในสภาวะที่ไม่มีออกซิเจน เป็นปฏิกิริยาเปลี่ยน N2 เป็น NH3 โดยใช้พลังงานจาก ATP Heterocysts ของ Nostoc ทำหน้าที่ตรึงไนโตรเจนโดยเฉพาะ

Sulfate Assimilation ส่วนมากเกี่ยวข้องกับกรดอะมิโน Cys และ Met 39 Sulfate Assimilation ส่วนมากเกี่ยวข้องกับกรดอะมิโน Cys และ Met การสังเคราะห์สารกลุ่ม Glucosinolate ตั้งต้นจากกรดอะมิโน Cys Progoitrin สังเคราะห์จาก Brassica napus สายพันธุ์พื้นเมือง มีฤทธิ์ยับยั้งการดูดซึมไอโอดีน Alliin พบในหอมและกระเทียม