Protochlorophyllide [1] nebo monovinyl protochlorophyllid , je bezprostředním prekurzorem chlorofylu a s chybějícím fytolovým ocasem. [2] Na rozdíl od chlorofylu má protochlorofylid silnou fluorescenci; mutanti, kteří jej hromadí ve svých tkáních, při ozáření modrým světlem červeně září. [3] U kvetoucích rostlin je přeměna protochlorofylidu na chlorofyl závislá na světle a takové rostliny při pěstování ve tmě zbělají ( chlorotické ). Naproti tomu nahosemenné rostliny , řasy a fotosyntetické bakterie používají jiný enzym nezávislý na světle a rostou zeleně i ve tmě.
Transformace protochlorofylidu na chlorofyl se provádí enzymem protochlorofylidreduktáza [ 4] Kód CF 1.3.1.33. Existují dva strukturně odlišné enzymy s takovou aktivitou – reduktázy závislé na světle a na tmě. Reduktáza závislá na světle vyžaduje ke své činnosti světlo, zatímco tmavá reduktáza je zcela odlišný protein, sestávající ze tří podjednotek, vykazujících významnou podobnost se třemi podjednotkami dusíkaté látky , která katalyzuje tvorbu amoniaku z molekuly dusíku . [5] Tento enzym, který se mohl vyvinout mnohem dříve (zřejmá podobnost s dusíkatou), je vysoce citlivý na volný kyslík a nefunguje, pokud jeho koncentrace překročí 3 %. [6] Proto je v procesu evoluce ještě třeba zdokonalit alternativní verzi závislou na světle.
Většina fotosyntetických bakterií má obě formy enzymu. Kvetoucí rostliny ztratily svou tmavou formu a spoléhají na tři mírně odlišné kopie reduktázy závislé na světle, běžně označované jako PCR A, B a C. Nahosemenné rostliny mají ještě více kopií tohoto genu ( borovice vonná má asi jedenáct [7] ) . V rostlinách je protochlorofylidreduktáza závislá na světle kódována nukleárními geny a teprve později je transportována na místo své funkce, chloroplast . Naproti tomu u rostlin a řas s tmavou formou enzymu je alespoň částečně kódován chloroplastovou DNA. [7]
Chlorofyl v buňce je spojen s proteiny a může absorbovat a přenášet energii v daném směru. Protochlorofylid, který se v buňce nachází převážně v nevázané formě a za přítomnosti světla, se však chová jako fotosenzibilizátor, který vytváří toxické volné radikály. Rostliny proto potřebují účinný mechanismus pro regulaci množství metabolických prekurzorů chlorofylu. U kvetoucích rostlin k podobné kontrole dochází ve fázi tvorby kyseliny δ-aminolevulové (ALA), jednoho z meziproduktů v dráze biosyntézy chlorofylu. Rostliny uměle krmené ALA akumulovaly protochlorofylid ve velkých, toxických množstvích, stejně jako mutanti s poškozeným regulačním systémem.
Arabidopsis FLU - s poškozeným regulačním systémem může přežít pouze v neustálé tmě (protochlorofylid není nebezpečný při nedostatku světla) nebo za stálého světla, kdy je rostlina schopna veškerý vzniklý protochlorofyl přeměnit na chlorofyl a nekumulovat jej nadměrně, navzdory nedostatku regulace. U mutovaného ječmene Tigrina (mutace se vyskytuje ve stejném genu, [8] ) světlo zabíjí většinu listové tkáně, která se vyvinula ve tmě, ale část listu, která se vytvořila během dne, zůstává živá. V důsledku toho jsou listy pokryty bílými pruhy odumřelých buněk a jejich počet se blíží počtu dnů života listu. Zelené části přežijí následující noc, pravděpodobně proto, že syntéza chlorofylu ve tkáni dospělých listů je téměř vždy výrazně snížena.
Navzdory mnoha pokusům najít mutace, které za normálních podmínek způsobují nadbytek protochlorofylidu, je v současnosti (2009) znám pouze jeden takový gen - ( chřipka ). Chřipka (poprvé popsána v [3] ) je protein lokalizovaný v chloroplastech a kódovaný v jádře, který podle všeho obsahuje výlučně místa interakce protein-protein. Je to transmembránový protein lokalizovaný v thylakoidní membráně. Stále není zcela jasné, proč nebyly nalezeny další typy podobných mutací; je pravděpodobné, že změny v jiných proteinech zapojených do regulačního řetězce jsou smrtelné. Chřipka je jediný gen, nepatří do žádné genové rodiny.
Později byl na základě sekvenční podobnosti nalezen podobný protein v řase Chlamydomonas [9] . To dokazuje, že tento druh regulačního systému existoval dlouho předtím, než kvetoucí rostliny ztratily tmavou reduktázu. Regulační protein Chlamydomonas je mnohem složitější: je větší, prochází dvěma tylakoidními membránami místo jedné, obsahuje více interakčních míst s jinými proteiny a dokonce podstupuje alternativní krájení . To nám umožňuje pochopit, že regulační systém byl zjevně v procesu evoluce značně zjednodušen.
| Druhy tetrapyrrolů | |||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Bilany (lineární) |
| ||||||||||||||||||||
| makrocykly |
| ||||||||||||||||||||