01402461Plant Biochemistry

ชี�วเคมี�ของพื�ชี ภาคปลาย 2555

1

Textbook

• Florence K. Gleason 2012

ร้�าน PBFORBOOK เล�มีละ 950 บาท

2

Website

• ชี�วเคมี� กำ�าแพืงแสนbiochem.flas.kps.ku.ac.th

3

5 พื.ย. 55

• แนะน�าร้ายว�ชีา

4

12 พื.ย. 55

• Primary Cell Walls ผน�งเซลล!ปฐมีภ#มี�- ผน�งเซลล!เป$นล�กำษณะส�าค�ญของเซลล!พื�ชี- ค�(าจุ*นสร้�างความีแข+งแร้งให้�เน�(อเย�.อ ท�อล�าเล�ยง- ป/องกำ�นกำาร้ร้*กำร้านของเชี�(อโร้ค ส�ตว!กำ�นพื�ชี- สร้�างจุากำสาร้ท�.ได้�ในกำร้ะบวนกำาร้ส�งเคร้าะห้!แสง- องค!ปร้ะกำอบห้ล�กำเป$นเซลล#โลส

5

เซลล#โลส• เซลล#โลส ค�อ กำล#โคสท�.มีาเชี�.อมีต�อกำ�นด้�วยพื�นธะ β

-1,4- สายเซลล#โลสปร้ะกำอบกำ�นเป$นเส�นใยย�อย fibril- ไฟบร้�ล ฝั8งอย#�ใน matrix ของเฮมี�เซลล#โลสกำ�บเพื

คต�น- พื�นธะไฮโด้ร้เจุนและพื�นธะไอออน�กำ ชี�วยร้�กำษา

ความีแข+งแร้งของผน�งเซลล!

6

กำาร้ส�งเคร้าะห้!เซลล#โลส• อาศั�ยเอนไซมี! cellulose synthase - ใชี� UDP-glucose เป$น substrate- กำาร้สร้�าง UDP-glucose ใชี�ปฏิ�กำ�ร้�ยา 2 ชีน�ด้

ค�อ sucrose synthase และ UDP-glucose pyrophosphorylase

- นอกำจุากำน�(เอนไซมี! invertase กำ+ใชี�สร้�างกำล#โคสได้�ด้�วย

- Cellulose synthase สร้�างมีาจุากำย�น cesA

7

• Cellulose synthase ท�าห้น�าท�.ขนส�งกำล#โคสไปต�อกำ�บปลายโมีเลกำ*ลของเซลล#โลสท�.มี�อย#�แล�ว

- เอนไซมี!ฝั8งต�วอย#�ในเย�.อห้*�มีเซลล!- กำาร้ท�าเอนไซมี!ให้�บร้�ส*ทธ�<ท�าได้�ยากำเพืร้าะไมี�ค�อย

ละลายน�(าและมี�โมีเลกำ*ลให้ญ�- ส�วนให้ญ�จุะศั=กำษากำ�นในแบคท�เร้�ย เชี�น Bacillus

และ Acetobacter- เอนไซมี!ปร้ะกำอบด้�วย กำร้ด้อะมี�โนร้าว 1 ,100

ห้น�วย

8

Callose

• แคลโลส- กำล#โคสมีาต�อกำ�นด้�วยพื�นธะ β-1,3 และมี�กำ�.งด้�วย- ใชี�เอนไซมี!ท�.สร้�างจุากำย�น calS- พื�ชีสร้�างแคลโลสจุากำความีเคร้�ยด้และร้อยแผล

9

Wall Matrix

• ปร้ะกำอบด้�วย sugar polymers- ส�งเคร้าะห้!โด้ยใชี�เอนไซมี!

glycosyltransferase ท�.อย#�ในเมีมีเบร้นของ ER ห้ร้�อ Golgi apparatus

- Matrix ปร้ะกำอบด้�วยสาร้ 2 กำล*�มีค�อ hemicellulose กำ�บ pectin

10

Hemicellulose

• แยกำออกำมีาจุากำผน�งเซลล!ได้�โด้ยใชี�เบสแกำ�- ปร้ะกำอบด้�วย xyloglucan กำ�บ xylan- สร้�างพื�นธะไฮโด้ร้เจุนกำ�บไฟบร้�ลได้�- ชี�วยให้�ไฟบร้�ลย�ด้ห้ย*�นมีากำข=(น ไมี�จุ�บกำ�นแน�น

11

Pectin

• แยกำออกำมีาจุากำผน�งเซลล!ได้�โด้ยใชี� EDTA- ปร้ะกำอบด้�วย กำร้ด้ galacturonic- มี� 4 ชีน�ด้1. Homogalacturonan2. Rhamnogalacturonan I3. Rhamnogalacturonan II4. Xylogalacturonans &

apiogalacturonan

12

Pectin

• ห้น�าท�.ของ pectin- เพื�.มีความีแข+งแร้งของผน�งเซลล!- ควบค*มีความีพืร้*น (porosity) ของผน�งเซลล!- ควบค*มีกำาร้ผ�านเข�าออกำของน�(าและสาร้โมีเลกำ*ล

เล+กำ- เชี�.อมีเซลล!เข�าด้�วยกำ�น

13

Protein

• เอนไซมี!- Kor (endo-1,4-β-glucanase) ท�าให้�ผน�ง

เซลล!ห้ลวมีข=(น- Peroxidase สร้�าง cross-links ร้ะห้ว�าง

คาร้!โบไฮเด้ร้ตกำ�บโปร้ต�นโคร้งสร้�าง ท�าให้�ผน�งเซลล!แข+งแร้งข=(น

- Wall kinase ท�าห้น�าท�.เกำ�.ยวกำ�บ signal transduction เมี�.อถู#กำเชี�(อโร้คร้*กำร้าน

14

Protein

• โปร้ต�นโคร้งสร้�าง- Extensins สร้�าง cross-link กำ�บโปร้ต�นอ�.น

ๆ ของผน�งเซลล! เป$นด้�านป/องกำ�นเชี�(อโร้ค- Expansins จุ�บกำ�บไฟบร้�ล ท�าให้�ไมี�เกำ�ด้พื�นธะ

noncovalent ใน matrix ชี�วยให้�ผน�งเซลล!ห้ลวมีข=(น

15

12 พื.ย. 55 (ต�อ)

• กำาร้ส�งเคร้าะห้!แสง (light reaction)- ส�.งมี�ชี�ว�ตกำ�าเน�ด้ข=(นมีา - 3530. . พื�นล�านป@

มีาแล�ว- ออกำซ�เจุนท�าให้�เกำ�ด้โอโซน ป/องกำ�นร้�งส� UV

- ส�.งมี�ชี�ว�ตพืวกำแร้กำ ๆ ใชี� H2S แทน H2O เป$นต�วให้�อ�เล+กำตร้อน ได้�ผล�ตภ�ณฑ์!เป$นกำ�ามีะถู�น

- กำาร้ทด้ลองของ Ruben กำ�บ Kamen โด้ยใชี� 18O พื�ส#จุน!ว�า O2 มีาจุากำน�(า

16

Photosynthetic Pigments

• Chlorophyll a- ปร้ะกำอบด้�วย tetrapyrrole ring มี� Mg เป$น

อะตอมีกำลาง- มี� phytol side-chain ซ=.งเป$นส�วน

hydrophobic ท�าให้�คลอโร้ฟBลล!ไมี�ค�อยละลายน�(า

17

Photosynthetic Pigments

• Chlorophyll b- พืบมีากำใน angiosperms มี�ห้มี#� aldehyde

แทนห้มี#� methyl- ชี�วยเสร้�มีกำาร้ด้#ด้แสงกำ�บ chlorophyll a ท�าให้�

มี�ชี�วงท�.ด้#ด้แสงได้�กำว�างข=(น (แต�กำ+ย�งด้#ด้ชี�วงส�เข�ยวไมี�ได้�)

18

Accessory Pigments

• Lycopene และ β-carotene- เป$นพืวกำ carotenoids ปร้ะกำอบด้�วย -40

C- ด้#ด้กำล�นแสงในชี�วงส�มี�วงน�(าเง�น- ชี�วยเสร้�มีกำาร้ด้#ด้กำล�นแสงและป/องกำ�นองค!

ปร้ะกำอบส�งเคร้าะห้!แสงจุากำกำาร้ท�าลายของร้�งส�ท�.มีากำเกำ�นไป (ป/องกำ�น photo-oxidative damage)

19

Origin of the Z-Scheme

• Emerson Enhancement- พื�ส#จุน!ว�า มี� Photosystem 2 ชี*ด้ เสร้�มีกำาร้

ท�างานกำ�น เพืร้าะเมี�.อฉายแสงในชี�วงความียาวคล�.น 2 ความียาวคล�.น ค�อ 680

และ 700 nm พืร้�อมีกำ�น จุะท�าให้�อ�ตร้ากำาร้ส�งเคร้าะห้!แสงส#งกำว�าผลร้วมีของอ�ตร้าท�.เกำ�ด้จุากำกำาร้ฉายแสงท�ละความียาวคล�.นมีากำ

20

Photosynthesis inhibitors

• Paraquat- ย�บย�(งกำาร้ขนส�งอ�เล+กำตร้อนจุากำ PSI โด้ยร้�บ

อ�เล+กำตร้อนจุากำ PSI และย�บย�(งกำาร้ร้�ด้�วซ! ferredoxin กำ�บ NADP

- นอกำจุากำน�(ย�งขนส�งอ�เล+กำตร้อนไปย�งออกำซ�เจุน ท�าให้�เกำ�ด้ superoxide และ hydroxyl radicals ท�าลายเมีมีเบร้น

21

19 พื.ย. 55

• Carbon Dioxide Fixation - กำร้ะบวนกำาร้ส�งเคร้าะห้!แสงปร้ะกำอบด้�วย ปฏิ�กำ�ร้�ยา

redox 2 ปฏิ�กำ�ร้�ยา ค�อ light reaction กำ�บ dark reaction

- Light reaction เปล�.ยนพืล�งงานแสงเป$นพืล�งงานเคมี� ในร้#ปของ NADPH และ ATP

- Dark reaction เป$นกำาร้ร้�ด้�วซ! CO2 เป$นคาร้!โบไฮเด้ร้ต โด้ยใชี�พืล�งงานใน NADPH และ ATP

22

- กำาร้ศั=กำษากำร้ะบวนกำาร้ตร้=ง CO2 ท�าได้�ยากำ เพืร้าะองค!ปร้ะกำอบท�.ละลายน�(าได้�จุะส#ญห้ายไปถู�า Outer membrane เส�ยห้าย

- ส�วนมีากำงานว�จุ�ยจุะศั=กำษาในสาห้ร้�ายเซลล!เด้�ยว เชี�น Chlorella sp.

- M.Calvin, A. Benson, J. Bassham และท�มีงานศั=กำษาโด้ยใชี� 14C พืบว�าสาร้ต�วแร้กำของกำร้ะบวนกำาร้ fixation ค�อ สาร้ปร้ะกำอบ 3 C “glyceric acid-3-phosphate”

23

- C-3 pathway มี�กำจุะเร้�ยกำว�า dark reaction เพืร้าะไมี�มี�แสงเข�ามีาเกำ�.ยวข�องโด้ยตร้ง

- แต�ถู�าไมี�มี�แสง กำ+จุะมี� NADPH กำ�บ ATP ไมี�เพื�ยงพือส�าห้ร้�บกำาร้ตร้=ง CO2

- นอกำจุากำน�(เอนไซมี!ใน C-3 pathway ย�งต�องกำาร้กำาร้กำร้ะต*�นด้�วยแสง และถู�าอย#�ในท�.มี�ด้สน�ทจุะท�างานได้�ชี�า

- ด้�งน�(นกำาร้เร้�ยกำว�า dark reaction ท�าให้�เข�าใจุผ�ด้

24

C-3 cycle

- C-3 cycle แบ�งออกำเป$น 3 กำร้ะบวนกำาร้(1 )กำาร้เกำ�ด้ carboxylation ของ ribulose-

bis-phosphate (RuBP) ได้� 2 โมีเลกำ*ลของ glyceric acid-3-phosphate

(2) กำาร้ reduction ของ glyceric acid-3-phosphate เป$น glyceraldehyde-3-phosphate (GAP)

(3) กำาร้เกำ�ด้ metabolism ของ GAP ต�อไป และกำล�บมีาเป$น RuBP อ�กำคร้�(ง

25

Carboxylation

• Rubisco- ค�อเอนไซมี! ribulose bisphosphate

carboxylase ซ=.งจุ�ด้เป$นโปร้ต�นท�.มี�มีากำท�.ส*ด้ในโลกำ

- ปร้ะกำอบด้�วย L กำ�บ S subunits- ย�นส�าห้ร้�บ L อย#�ใน chloroplast genome

ส�วน S อย#�ใน nuclear genome- มี�กำาร้โคลนเข�าไปใน E.coli แต�ไมี�ค�อยท�างาน

26

Structure of Rubisco

• Structure of Rubisco- มี�กำาร้ศั=กำษาใน purple nonsulfur bacteria

พืบว�าปร้ะกำอบด้�วย L 2 subunits- ส�วนกำาร้ศั=กำษาในพื�ชี เชี�น ผ�กำปวยเล�ง

(spinach) พืบว�าเป$นแบบ L8S8- กำร้ะบวนกำาร้ photorespiration เกำ�ด้ข=(นจุากำ

Rubisco ไปจุ�บกำ�บ O2 ได้�ด้�วย ท�าให้�เกำ�ด้ความีส#ญเส�ย ลด้ปร้ะส�ทธ�ภาพืกำาร้ส�งเคร้าะห้!แสง

27

Structure of Rubisco

• Specificity Factor of Rubisco- Relative specificity factor ห้มีายถู=ง

ส�ด้ส�วนของปร้ะส�ทธ�ภาพืในกำาร้เร้�งปฏิ�กำ�ร้�ยาของ Rubisco ในกำาร้ท�าห้น�าท�.เป$น carboxylase เท�ยบกำ�บกำาร้ท�าห้น�าท�.เป$น oxygenase

28

CO2 Concentrating Mechanisms

• C-4 Pathway- H. Hatch และ R. Slack ได้�ทด้ลองในอ�อย

พืบว�าสาร้ต�วแร้กำท�.ต�ด้ฉลากำด้�วย 14C ท�.เป$นผล�ตภ�ณฑ์!ในกำร้ะบวนกำาร้ส�งเคร้าะห้!แสง มี� 4คาร้!บอน แทนท�.จุะเป$น 3 คาร้!บอน

- พื�ชี C4 ส�วนมีากำเป$นพืวกำ monocots เชี�นพืวกำห้ญ�า อ�อย ข�าวโพืด้

29

CO2 Concentrating Mechanisms

- พื�ชี C4 ไมี�ค�อยมี� chloroplast บร้�เวณ mesophyll cells

- มี� Kranz anatomy มีองเห้+นคล�ายพืวงห้ร้�ด้บร้�เวณ bundle sheath cells

- ป8จุจุ*บ�นมี�ความีพืยายามีเปล�.ยนข�าวให้�เป$นพื�ชี C4 (อ�านเพื�.มีเต�มีได้�ใน Wikipedia)http://en.wikipedia.org/wiki/C4_carbon_fixation

30

26 พื.ย.55 บทท�. 3

- บทท�. 3 กำาร้สะสมีและกำาร้ใชี�ปร้ะโยชีน!จุากำสาร้ปร้ะกำอบคาร้!บอน

- Light reaction ใชี�พืล�งงานแสงอาท�ตย!เปล�.ยนเป$นพืล�งงานเคมี�ในร้#ปของ ATP และ reduced cofactor

- C-3 cycle ใชี�พืล�งงานน�(ในกำาร้ตร้=ง CO2 ในบร้ร้ยากำาศั ให้�อย#�ในร้#ปของน�(าตาล

31

- น�(าตาลท�.ได้� น�าไปใชี�เป$นต�วกำลางในกำาร้ส�งเคร้าะห้!สาร้อ�.น ๆ ต�อไป โด้ยอย#�ภายในส�วน stroma ของคลอโร้พืลาสต!

- คาร้!บอนท�.มีากำเกำ�นพือ กำ+น�ามีาส�งเคร้าะห้!เป$นแป/งและเกำ+บสะสมีไว�ในพืลาสต�ด้ และน�าออกำมีาใชี�ปร้ะโยชีน!ได้�

- สาร้ต�วกำลางใน C-3 cycle ย�งส�งออกำไปส�งเคร้าะห้!น�(าตาลซ#โคร้สในไซโตพืลาซ=มี

32

แป/ง (starch)

- เป$นโพืล�เมีอร้!ของกำล#โคส อย#�ภายในพืลาสต�ด้- ปร้ะกำอบด้�วย amylose กำ�บ amylopectin- แป/งมี�องค!ปร้ะกำอบส�วนให้ญ�เป$น

amylopectin- กำาร้ส�งเคร้าะห้!แป/งเกำ�ด้ข=(นในใบ ในส�วน stroma

ของคลอโร้พืลาสต!- สาร้ต�(งต�นค�อ F6P- ด้#โคร้งสร้�างของแป/งในภาพื 310.

33

กำาร้ส�งเคร้าะห้!ซ#โคร้ส- เกำ�ด้ข=(นในไซโทพืลาซ=มี- ซ#โคร้ส เป$นน�(าตาลท�.ใชี�ขนส�งในพื�ชีมีากำท�.ส*ด้- จุ�ด้เป$นน�(าตาลท�.เฉ�.อย และไมี�ใชี�น�(าตาลร้�ด้�วซ!- ถู#กำย�อยด้�วย invertase กำล�บเป$น Glc และ

Fru- ด้# pathway กำาร้ส�งเคร้าะห้!น�(าตาลซ#โคร้สใน

ภาพืท�. 312.

34

17 ธ.ค. 55 บทท�. 5- บทท�. 5 N & S Metabolism- สาร้อน�นทร้�ย!ท�.พื�ชีต�องกำาร้แบ�งออกำเป$น

macronutrient กำ�บ micronutrient- Macronutrient: N P K S- Micronutrient: Cl B Fe etc.- สาร้ท�.มี� N เป$นองค!ปร้ะกำอบ เชี�น กำร้ด้อะมี�โน

กำร้ด้น�วคล�อ�กำ และโคแฟกำเตอร้!ต�าง ๆ เชี�น NADP biotin

35

Nitrate Assimilation

- Nitrate (NO3-) ละลายน�(าได้�ด้� และพื�ชีน�าไป

ใชี�ได้� โด้ยเฉพืาะในด้�นท�.เป$นด้�าง- Ammonia (NH4

+) มี�กำจุะจุ�บกำ�บอน*ภาคด้�นท�.เป$นปร้ะจุ*ลบ ท�าให้�น�าไปใชี�ได้�ไมี�ค�อยด้�

- กำาร้ขนส�งไนเตร้ท ใชี�ว�ธ� active transport โด้ยมี�โปร้ต�นส�าห้ร้�บขนส�ง ค�อ HAT และ LAT

- กำาร้ขนส�งแอมีโมีเน�ยจุากำร้ากำ สามีาร้ถูเกำ+บไว�ใน vacuole ได้� แต�ไมี�ขนส�งไปท�.ใบ

36

Nitrate Processing

- กำาร้เปล�.ยนไนเตร้ทเป$นแอมีโมีเน�ยและกำร้ด้อะมี�โน เกำ�ด้ข=(นในเน�(อเย�.อส�งเคร้าะห้!แสง

- เอนไซมี!ต�วแร้กำค�อ nitrate reductase เปล�.ยนไนเตร้ทเป$นไนไตร้ท! พืบใน cytoplasm ของ mesophyll cell

- ไนไตร้ท! เป$นสาร้ท�.ไมี�เสถู�ยร้ และจุะเปล�.ยนเป$นแอมีโมีเน�ยโด้ยใชี�เอนไซมี! nitrite reductase

37

Nitrogen Fixation

- เฉพืาะ prokaryote เท�าน�(นท�.ตร้=งไนโตร้เจุนได้�- ใชี�เอนไซมี! nitrogenase- เอนไซมี! nitrogenase ต�องท�างานในสภาวะท�.

ไมี�มี�ออกำซ�เจุน- เป$นปฏิ�กำ�ร้�ยาเปล�.ยน N2 เป$น NH3 โด้ยใชี�

พืล�งงานจุากำ ATP- Heterocysts ของ Nostoc ท�าห้น�าท�.ตร้=ง

ไนโตร้เจุนโด้ยเฉพืาะ

38

Sulfate Assimilation

- ส�วนมีากำเกำ�.ยวข�องกำ�บกำร้ด้อะมี�โน Cys และ Met- กำาร้ส�งเคร้าะห้!สาร้กำล*�มี Glucosinolate ต�(ง

ต�นจุากำกำร้ด้อะมี�โน Cys- Progoitrin ส�งเคร้าะห้!จุากำ Brassica

napus สายพื�นธ*!พื�(นเมี�อง มี�ฤทธ�<ย�บย�(งกำาร้ด้#ด้ซ=มีไอโอด้�น

- Alliin พืบในห้อมีและกำร้ะเท�ยมี

39