Frakcjonowanie izotopów węgla w fotosyntezie tlenowej

Fotosynteza przekształca dwutlenek węgla w węglowodany poprzez kilka szlaków metabolicznych , które dostarczają organizmowi energii i preferencyjnie reagują z pewnymi stabilnymi izotopami węgla . Selektywne wzbogacenie jednego stabilnego izotopu nad drugim tworzy odrębne frakcje izotopowe , które można zmierzyć i skorelować między fototrofami tlenowymi . Na stopień frakcjonowania izotopów węgla ma wpływ kilka czynników, w tym metabolizm, anatomia, tempo wzrostu i warunki środowiskowe organizmu. Zrozumienie tych różnic we frakcjonowaniu węgla między gatunkami jest przydatne w biogeochemicznych , w tym w rekonstrukcji paleoekologii , ewolucji roślin i charakterystyce łańcuchów pokarmowych .

Uproszczony model reakcji chemicznej ze ścieżkami dla lekkiego izotopu (H) i ciężkiego izotopu (D) wodoru. Ta sama zasada dotyczy lekkiego izotopu ¹² C i ciężkiego izotopu ¹³ C węgla. Pozycje na studniach energetycznych oparte są na kwantowym oscylatorze harmonicznym . Zwróć uwagę na niższy stan energetyczny cięższego izotopu i wyższy stan energetyczny lżejszego izotopu. W warunkach kinetycznych, takich jak reakcja enzymatyczna z RuBisCO, lżejszy izotop jest preferowany ze względu na niższą energię aktywacji.

Fotosynteza tlenowa jest szlakiem metabolicznym wspomaganym przez autotrofy , w tym rośliny, glony i sinice. Szlak ten przekształca nieorganiczny dwutlenek węgla z atmosfery lub środowiska wodnego w węglowodany przy użyciu wody i energii ze światła, a następnie uwalnia tlen cząsteczkowy jako produkt. Węgiel organiczny zawiera mniej stabilnego izotopu węgla-13 lub ¹³ C w stosunku do początkowego węgla nieorganicznego z atmosfery lub wody, ponieważ fotosyntetyczne wiązanie węgla obejmuje kilka reakcji frakcjonowania z kinetycznymi efektami izotopowymi . Reakcje te podlegają kinetycznemu efektowi izotopowemu, ponieważ są ograniczone przez pokonanie bariery energii aktywacji . Lżejszy izotop ma wyższy stan energetyczny w studni kwantowej wiązania chemicznego, co pozwala na preferencyjne formowanie go w produkty. Różne organizmy wiążą węgiel za pomocą różnych mechanizmów, które znajdują odzwierciedlenie w różnych składach izotopów na szlakach fotosyntezy (patrz tabela poniżej i wyjaśnienie zapisu w sekcji „Pomiar izotopów węgla”). W poniższych sekcjach opisano różne tlenowe szlaki fotosyntezy i co przyczynia się do powiązanych z nimi wartości delta.

Różne szlaki fotosyntezy (C3, C4 i CAM) dają biomasę o różnych wartościach ^δ13C .

Wartości delta izotopów szlaków fotosyntetycznych
Ścieżka	δ ¹³ C (‰)
C3	-20 do -37
C4	-12 do -16
KRZYWKA	-10 do -20
Fitoplankton	-18 do -25

Pomiar izotopu węgla

^% z czego 98,9% w postaci 12C ^13C i 1,1 w . Stosunek tych izotopów zmienia się w organizmach biologicznych z powodu procesów metabolicznych, które selektywnie wykorzystują jeden izotop węgla zamiast drugiego lub „frakcjonowanie” węgla poprzez efekty kinetyczne lub termodynamiczne. Fotosynteza tlenowa zachodzi w roślinach i mikroorganizmach na różnych szlakach chemicznych, więc różne formy materiału organicznego odzwierciedlają różne proporcje izotopów ^13C . Zrozumienie tych różnic we frakcjonowaniu węgla między gatunkami jest stosowane w geochemii izotopów i ekologicznych badaniach izotopów w celu zrozumienia procesów biochemicznych, ustalenia łańcuchów pokarmowych lub modelowania obiegu węgla w czasie geologicznym.

Frakcjonowanie izotopów węgla wyraża się za pomocą notacji delta δ ¹³ C („delta trzynaście C”), która jest podawana w częściach na tysiąc ( promil , ‰). δ13C 13C ^/^jest zdefiniowany w odniesieniu do wiedeńskiego Pee Dee Belemnite (VPDB, 12C ⁼ 0,01118) jako ustalony wzorzec odniesienia . Nazywa się to „wartością delta” i można ją obliczyć na podstawie poniższego wzoru:

{\ Displaystyle \ delta ^ {13} \ operatorname {C} =\left({\frac {\left({\frac {^{13}\mathrm {C}}}{^{12}\mathrm {C}}}\right)_{\mathrm {próbka}}}{ \left({\frac {^{13}\mathrm {C} }{^{12}\mathrm {C} }}\right)_{\mathrm {standard} }}}-1\right)\times 1000 }

Reakcje fotosyntezy

Szlak chemiczny fotosyntezy tlenowej wiąże węgiel w dwóch etapach: reakcjach zależnych od światła i reakcjach niezależnych od światła.

Reakcje zależne od światła wychwytują energię świetlną w celu przeniesienia elektronów z wody i przekształcenia NADP ⁺ , ADP i nieorganicznego fosforanu w cząsteczki magazynujące energię NADPH i ATP . Ogólne równanie reakcji zależnych od światła jest ogólnie następujące:

Przegląd cyklu Calvina i szlaku wiązania węgla C3

2 H ₂ O + 2 NADP ⁺ + 3 ADP + 3 P _i + światło → 2 NADPH + 2 H ⁺ + 3 ATP + O ₂

Reakcje niezależne od światła podlegają cyklowi Calvina-Bensona , w którym energia z NADPH i ATP jest wykorzystywana do przekształcania dwutlenku węgla i wody w związki organiczne za pośrednictwem enzymu RuBisCO . Ogólne równanie reakcji niezależnych od światła jest następujące:

3 CO ₂ + 9 ATP + 6 NADPH + 6 H ⁺ → C ₃ H ₆ O ₃ -fosforan + 9 ADP + 8 P _i + 6 NADP ⁺ + 3 H ₂ O

Produkty 3-węglowe (C ₃ H ₆ O ₃ -fosforan) cyklu Calvina są później przekształcane w glukozę lub inne węglowodany, takie jak skrobia , sacharoza i celuloza .

Frakcjonowanie przez RuBisCO

Karboksylacja rybulozo-1,5-bisfosforanu (1) do dwóch cząsteczek 3-fosfoglicerynianu (4) przez RuBisCO. Pośrednią cząsteczką w (3) jest 3-keto-2-karboksyarabinitol-1,5-bisfosforan, który prawie natychmiast rozpada się na 3-fosfoglicerynian.

Duże frakcjonowanie ¹³ C w fotosyntezie jest spowodowane reakcją karboksylacji, którą przeprowadza enzym oksygenaza karboksylazy rybulozo-1,5-bisfosforanu lub RuBisCO . RuBisCO katalizuje reakcję między pięciowęglową cząsteczką, rybulozo-1,5-bisfosforanem (w skrócie RuBP) i CO2 _, w wyniku czego powstają dwie cząsteczki kwasu 3-fosfoglicerynowego (w skrócie PGA). PGA reaguje z NADPH, tworząc 3-fosfogliceraldehyd .

Przewiduje się, że frakcjonowanie izotopów w wyniku samej karboksylacji Rubisco (forma I) będzie średnio o 28 ‰. Jednak wartości frakcjonowania różnią się w zależności od organizmu, od 11 ‰ wyczerpania obserwowanego w coccolithophorid do 29 ‰ wyczerpania obserwowanego w szpinaku . RuBisCO powoduje kinetyczny efekt izotopowy , ponieważ ¹² CO ₂ i ¹³ CO ₂ konkurują o to samo miejsce aktywne, a ¹³ C ma z natury mniejszą szybkość reakcji.

Model frakcjonowania ^13C

Oprócz różnicujących efektów reakcji enzymatycznych, dyfuzja gazowego CO ₂ do miejsca karboksylacji w komórce roślinnej również wpływa na frakcjonowanie izotopowe. W zależności od rodzaju rośliny (patrz sekcje poniżej), zewnętrzny CO ₂ musi być transportowany przez warstwę graniczną i aparaty szparkowe do wewnętrznej przestrzeni gazowej komórki roślinnej, gdzie rozpuszcza się i dyfunduje do chloroplastu. Dyfuzyjność gazu jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego jego zredukowanej masy cząsteczkowej (względem powietrza), co powoduje, że 13 ^CO 2 _ma o 4,4 ‰ mniejszą dyfuzyjność niż ¹² CO ₂ .

Dominujący model frakcjonowania atmosferycznego CO ₂ w roślinach łączy efekty izotopowe reakcji karboksylacji z efektami izotopowymi dyfuzji gazu do rośliny w następującym równaniu:

{\ Displaystyle \ delta ^ {13} C_ {próbka} = \ delta ^ {13 }C_{atm}-a-(ba)(c_{i}/c_{a})}

Gdzie:

_Próbka δ ¹³ C jest wartością delta organizmu dla składu ¹³ C
δ ¹³ C _atm to wartość delta atmosferycznego CO ₂ , która wynosi = -7,8‰
dyskryminacja ze względu na dyfuzję a = 4,4‰
dyskryminacja karboksylacji b = 30‰
c _a to ciśnienie cząstkowe CO ₂ w atmosferze zewnętrznej, oraz
c _i jest ciśnieniem cząstkowym CO ₂ w przestrzeniach międzykomórkowych.

Ten model, wyprowadzony ab initio , ogólnie opisuje frakcjonowanie węgla w większości roślin, które ułatwiają wiązanie węgla C3 . Wprowadzono modyfikacje tego modelu na podstawie ustaleń empirycznych. Jednak kilka dodatkowych czynników, nieuwzględnionych w tym ogólnym modelu, zwiększy lub zmniejszy ^13C u różnych gatunków. Takie czynniki obejmują konkurencyjną reakcję utleniania RuBisCO, anatomiczne i czasowe adaptacje do aktywności enzymów oraz zmiany we wzroście i geometrii komórek. Frakcje izotopowe różnych szlaków fotosyntezy są jednoznacznie charakteryzowane przez te czynniki, jak opisano poniżej.

W roślinach C3

Histogramy stosunków izotopów węgla we współczesnych trawach. Należy zauważyć, że rośliny C3 są zubożone o około 14 ‰ w ¹³ C w stosunku do roślin C4.

Roślina C3 wykorzystuje wiązanie węgla C3 , jeden z trzech metabolicznych szlaków fotosyntezy, które obejmują również C4 i CAM (opisane poniżej). Rośliny te nazywane są „C3” ze względu na trójwęglowy związek ( kwas 3-fosfoglicerynowy lub 3-PGA) wytwarzany przez mechanizm wiązania CO2 _w tych roślinach. Ten mechanizm C3 jest pierwszym etapem cyklu Calvina-Bensona, który przekształca CO2 _i RuBP w 3 -PGA .

Rośliny C3 są najbardziej powszechnym rodzajem roślin i zwykle rozwijają się w warunkach umiarkowanego nasłonecznienia i temperatur, stężenia CO ₂ powyżej 200 ppm oraz obfitych wód gruntowych. Rośliny C3 nie rosną dobrze w bardzo gorących lub suchych regionach, w których rośliny C4 i CAM są lepiej przystosowane.

Frakcjonowanie izotopów podczas wiązania węgla C3 wynika z połączonych efektów dyfuzji gazowego CO ₂ przez aparaty szparkowe rośliny i karboksylacji przez RuBisCO . Przewodnictwo szparkowe dyskryminuje cięższy ¹³ C o 4,4 ‰. Karboksylacja RuBisCO przyczynia się do większej dyskryminacji 27 ‰.

Enzym RuBisCO katalizuje karboksylację CO ₂ i 5-węglowego cukru RuBP do 3-fosfoglicerynianu , 3-węglowego związku poprzez następującą reakcję:

$CO_ {2} + H_ {2}O+RuBP{\xrightarrow[{RuBisCO}]{}}2(3{\mbox{-}}fosfoglicerynian)}$

Produkt 3-fosfoglicerynian jest zubożony w ^13° C ze względu na kinetyczny efekt izotopowy powyższej reakcji. Ogólne ¹³ C dla fotosyntezy C3 mieści się w zakresie od -20 do -37 ‰.

Szeroki zakres zmienności wartości delta wyrażanych w roślinach C3 jest modulowany przez przewodnictwo aparatów szparkowych lub szybkość przedostawania się CO ₂ lub wychodzenia pary wodnej przez małe pory w naskórku liścia. δ ¹³ C roślin C3 zależy od związku między przewodnictwem aparatów szparkowych a szybkością fotosyntezy, co jest dobrym wskaźnikiem wydajności wykorzystania wody w liściu. Rośliny C3 o wysokiej wydajności wykorzystania wody wydają się być mniej frakcjonowane w ^13° C (tj. δ13C ^jest stosunkowo mniej ujemne) w porównaniu z roślinami C3 o niskiej wydajności zużycia wody.

W roślinach C4

W szlaku C4 warstwa komórek mezofilu otacza komórki otoczki wiązki, które mają duże chloroplasty niezbędne do cyklu Calvina. A: Komórka mezofilu B: Chloroplast C: Tkanka naczyniowa D: Komórka otoczki wiązki E: Zrąb F: Tkanka naczyniowa: zapewnia stałe źródło wody 1) Węgiel jest wiązany w celu wytworzenia szczawiooctanu przez karboksylazę PEP. 2) Następnie czterowęglowa cząsteczka opuszcza komórkę i wchodzi do chloroplastów komórek otoczki wiązki. 3) Następnie jest rozkładany, uwalniając dwutlenek węgla i wytwarzając pirogronian. Dwutlenek węgla łączy się z bisfosforanem rybulozy i przechodzi do cyklu Calvina.

Rośliny C4 rozwinęły szlak wiązania węgla C4 w celu ograniczenia utraty wody, dlatego są bardziej rozpowszechnione w gorącym, słonecznym i suchym klimacie. Rośliny te różnią się od roślin C3 tym, że CO2 _jest początkowo przekształcany w czterowęglową cząsteczkę, jabłczan , który jest transportowany do komórek otoczki wiązki, uwalniany z powrotem jako CO2 _i dopiero potem wchodzi w cykl Calvina. Natomiast rośliny C3 bezpośrednio wykonują cykl Calvina w komórkach mezofilu, bez stosowania metody koncentracji CO ₂ . Jabłczan, czterowęglowy związek, jest imiennikiem fotosyntezy „C4”. Szlak ten umożliwia fotosyntezie C4 skuteczne przenoszenie CO2 _do enzymu RuBisCO i utrzymywanie wysokich stężeń CO2 _w komórkach otoczki wiązki . Komórki te są częścią charakterystycznej anatomii liści kranza , która przestrzennie oddziela typy komórek fotosyntetyzujących w koncentrycznym układzie w celu gromadzenia CO ₂ w pobliżu RuBisCO.

Te chemiczne i anatomiczne mechanizmy poprawiają zdolność RuBisCO do wiązania węgla, zamiast wykonywać marnotrawną aktywność oksygenazy . Aktywność oksygenazy RuBisCO, zwana fotooddychaniem , powoduje utratę substratu RuBP w wyniku utleniania i zużywa przy tym energię. Adaptacje roślin C4 zapewniają przewagę nad szlakiem C3, który traci wydajność z powodu fotooddychania. Stosunek fotooddychania do fotosyntezy w roślinie zmienia się w zależności od warunków środowiskowych, ponieważ obniżone stężenie CO ₂ i podwyższone stężenie O ₂ zwiększyłoby efektywność fotooddychania. Atmosferyczny CO ₂ na Ziemi gwałtownie spadł w punkcie między 32 a 25 milionami lat temu. Dało to selektywną przewagę ewolucji szlaku C4, który może ograniczać szybkość fotooddychania pomimo zmniejszonego stężenia CO _{2 w otoczeniu} . Obecnie rośliny C4 stanowią około 5% biomasy roślinnej na Ziemi, ale około 23% wiązania węgla na lądzie. Rodzaje roślin, które wykorzystują fotosyntezę C4, obejmują trawy i ważne gospodarczo uprawy, takie jak kukurydza , trzcina cukrowa , proso i sorgo .

Frakcjonowanie izotopowe różni się między wiązaniem węgla C4 a C3, ze względu na przestrzenne rozdzielenie wychwytu CO2 w roślinach C4 ₍ w komórkach mezofilu) i cykl Calvina (w komórkach otoczki wiązki). W roślinach C4 węgiel jest przekształcany w wodorowęglan , wiązany w szczawiooctan przez enzym karboksylazę fosfoenolopirogronianową (PEP) , a następnie przekształcany w jabłczan . Jabłczan jest transportowany z mezofilu do komórek otoczki wiązek , które są nieprzepuszczalne dla CO ₂ . Wewnętrzny CO ₂ jest skoncentrowany w tych komórkach, ponieważ jabłczan jest ponownie utleniany, a następnie dekarboksylowany z powrotem do CO ₂ i pirogronianu. Umożliwia to RuBisCO przeprowadzanie katalizy, podczas gdy wewnętrzny poziom CO ₂ jest wystarczająco wysoki, aby uniknąć współzawodniczącej reakcji fotooddychania. Wartość delta w szlaku C4 zmniejsza się o -12 do -16 ‰ w ¹³ C z powodu połączonego działania karboksylazy PEP i RuBisCO.

Rozróżnienie izotopowe w szlaku C4 zmienia się w stosunku do szlaku C3 ze względu na dodatkowe etapy konwersji chemicznej i aktywność karboksylazy PEP. Po dyfuzji do aparatów szparkowych konwersja CO ₂ do wodorowęglanów koncentruje cięższe ¹³ C. Późniejsze wiązanie przez karboksylazę PEP jest tym samym mniej zubożone w ¹³ C niż z Rubisco: około 2 ‰ zubożone w karboksylazę PEP w porównaniu z 29 ‰ w RuBisCO . Jednak część izotopowo ciężkiego węgla, który jest związany przez karboksylazę PEP, wycieka z komórek osłonki pęczka. Ogranicza to węgiel dostępny dla RuBisCO, co z kolei obniża jego efekt frakcjonowania. To odpowiada za ogólną wartość delta w roślinach C4 na poziomie od -12 do -16 ‰.

W zakładach CAM

Rośliny, które wykorzystują metabolizm kwasu grubasa , znany również jako fotosynteza CAM, czasowo oddzielają swoje reakcje chemiczne między dniem a nocą. Ta strategia moduluje przewodnictwo aparatów szparkowych w celu zwiększenia efektywności wykorzystania wody, dzięki czemu jest dobrze przystosowana do suchego klimatu. W nocy rośliny CAM otwierają aparaty szparkowe, aby umożliwić CO ₂ przedostanie się do komórki i utrwalenie w kwasach organicznych, które są przechowywane w wakuolach. Ten węgiel jest uwalniany do cyklu Calvina w ciągu dnia, kiedy aparaty szparkowe są zamknięte, aby zapobiec utracie wody, a reakcje świetlne mogą napędzać niezbędną produkcję ATP i NADPH. Ta ścieżka różni się od fotosyntezy C4, ponieważ rośliny CAM oddzielają węgiel, przechowując związany CO2 _w pęcherzykach w nocy, a następnie transportując go do wykorzystania w ciągu dnia. Tak więc rośliny CAM czasowo koncentrują CO2, _aby poprawić wydajność RuBisCO, podczas gdy rośliny C4 koncentrują CO2 przestrzennie _w komórkach otoczki wiązki. Rozmieszczenie roślin wykorzystujących fotosyntezę CAM obejmuje epifity (np. storczyki , bromelie ) i kserofity (np. sukulenty , kaktusy ).

W metabolizmie kwasu grubasa frakcjonowanie izotopowe łączy efekty szlaku C3 w ciągu dnia i szlaku C4 w nocy. W _nocy , kiedy temperatura i utrata wody są niższe, CO2 dyfunduje przez aparaty szparkowe i poprzez karboksylazę fosfolopirogronianową wytwarza jabłczan. Następnego dnia aparaty szparkowe są zamknięte, jabłczan jest dekarboksylowany, a CO2 _jest wiązany przez RuBisCO. Sam ten proces jest podobny do procesu roślin C4 i daje charakterystyczne wartości frakcjonowania C4 wynoszące około -11‰. Jednak po południu rośliny CAM mogą otworzyć aparaty szparkowe i przeprowadzić fotosyntezę C3. Tylko w ciągu dnia rośliny CAM mają frakcjonowanie około -28 ‰, charakterystyczne dla roślin C3. Te połączone efekty zapewniają δ13C ^‰ . dla roślin CAM w zakresie od -10 do -20

Stosunek ¹³ C do ¹² C w roślinach CAM może wskazywać na czasowe oddzielenie wiązania CO ₂ , które jest zakresem biomasy pochodzącej z wiązania CO _{2 w nocy} w stosunku do dziennego wiązania CO _{2 .} To rozróżnienie jest możliwe, ponieważ karboksylaza PEP, enzym odpowiedzialny za wychwyt netto CO2 _w nocy, rozróżnia o ¹³ C mniej niż RuBisCO, który jest odpowiedzialny za wychwyt _{CO2 w ciągu dnia. Przewiduje się} , że rośliny CAM, które wiążą CO ₂ głównie w nocy, wykazywałyby wartości δ ¹³ C bardziej podobne do roślin C4, podczas gdy rośliny wiążące CO _{2 w ciągu dnia} wykazywałyby wartości δ ¹³ C bardziej podobne do roślin C3.

W fitoplanktonie

W przeciwieństwie do roślin lądowych, gdzie dyfuzja CO ₂ w powietrzu jest stosunkowo szybka i zwykle nie jest ograniczona, dyfuzja rozpuszczonego CO ₂ w wodzie jest znacznie wolniejsza i często może ograniczać wiązanie węgla w fitoplanktonie. Gdy gazowy CO _{2 (g)} rozpuszcza się w wodnym roztworze CO _{2 (aq) , jest on frakcjonowany na podstawie} efektów kinetycznych i równowagowych , które są zależne od temperatury. W stosunku do roślin, źródło rozpuszczonego CO ₂ dla fitoplanktonu może być wzbogacone w ¹³ C o około 8 ‰ od atmosferycznego CO ₂ .

Na frakcjonowanie izotopów ¹³ C przez fotosyntezę fitoplanktonu wpływa dyfuzja pozakomórkowego wodnego CO2 _do komórki, szybkość wzrostu komórek zależna od RuBisCO oraz geometria i powierzchnia komórki. Wykorzystanie mechanizmów koncentracji wodorowęglanów i węgla w fitoplanktonie odróżnia frakcjonowanie izotopowe od szlaków fotosyntezy roślin.

Różnica między wewnątrzkomórkowym i zewnątrzkomórkowym stężeniem CO ₂ odzwierciedla zapotrzebowanie na CO ₂ komórki fitoplanktonu, które jest zależne od tempa jej wzrostu. Stosunek zapotrzebowania na węgiel do podaży reguluje dyfuzję CO ₂ do komórki i jest ujemnie skorelowany z wielkością frakcjonowania węgla przez fitoplankton. W połączeniu te zależności umożliwiają wykorzystanie frakcjonowania między CO _2(aq) i biomasą fitoplanktonu do oszacowania tempa wzrostu fitoplanktonu.

Jednak sama szybkość wzrostu nie uwzględnia obserwowanego frakcjonowania. Przepływ CO _2(aq) do iz komórki jest w przybliżeniu proporcjonalny do powierzchni komórki, a biomasa węgla w komórce zmienia się w funkcji objętości komórki. Geometria fitoplanktonu, która maksymalizuje powierzchnię do objętości, powinna mieć większe frakcjonowanie izotopowe z fotosyntezy.

Charakterystyka biochemiczna fitoplanktonu jest podobna do roślin C3, podczas gdy charakterystyka wymiany gazowej bardziej przypomina strategię C4. Mówiąc dokładniej, fitoplankton poprawia wydajność swojego podstawowego enzymu wiążącego węgiel, RuBisCO, z mechanizmami koncentracji węgla (CCM), podobnie jak rośliny C4 gromadzą CO2 _w komórkach otoczki wiązki. Różne formy CCM w fitoplanktonie obejmują aktywny wychwyt wodorowęglanu i CO2 _przez błonę komórkową, aktywny transport węgla nieorganicznego z błony komórkowej do chloroplastów oraz aktywną, jednokierunkową konwersję CO2 _do wodorowęglanu. Parametry wpływające na ¹³ C w fitoplanktonie przyczyniają się do wartości δ ¹³ C w zakresie od -18 do -25‰.

Zobacz też