A pirenoid sejten belüli fázisszeparált mikrokompartment számos alga és egyes becősmohákplasztiszaiban. A pirenoidok szénkoncentráló mechanizmust (CCM) működtetnek, fő feladatuk a szén-dioxid- (CO2-) kötés központjakénti működés, melyet CO2-gazdag környezet létrehozásával és fenntartásával biztosítanak a ribulóz-1,5-biszfoszfát-karboxiláz/oxigenáz körül. A pirenoidok így feltehetően a cianobaktériumokkarboxiszómáival analóg szereppel rendelkezhetnek.
Az algák kizárólag víztartalmú környezetben élnek, még vízi környezetben is, ez csökkenti a CO2 elérhetőségét a fotoszintézishez: a CO210 000-szer lassabban diffundál vízben, mint levegőben, és lassan kerül egyensúlyba. Ennek oka, hogy a víz mint közeg CO2-szintje gyakran könnyen lecsökken, és lassan nő. Végül a CO2 a HCO−3-ionnal (hidrogén-karbonát) pH-dependens egyensúlyba kerül vízben oldva. Tengervízben a pH olyan, hogy az oldott szervetlen szén általában HCO−3-ként van jelen, így kevés a szabad CO2, alig elegendő, hogy az alga-RuBisCO a maximális sebessége negyedén működjék, így a CO2-hasznosíthatóság jelentős probléma lehet az algák fotoszintézisében.
Történet
A pirenoidot 1803-ban fedezte fel Jean Pierre Étienne Vaucher. A fogalmat Schmitz hozta létre 1882-ben, aki az algakloroplasztiszok osztódás közbeni de novo keletkezését figyelte meg, ennek eredményeként Andreas Franz Wilhelm Schimper feltételezte, hogy a kloroplasztiszok eredetileg autonómok voltak, és hogy a növények „egy színtelen élőlény klorofillal színezettel való egyesülésével jöttek létre”. Ez eredményekből Mereschkowski a 20. század elején alkotta meg az endoszimbionta elméletet és a plasztiszok genetikai függetlenségét feltételezte.
Az ezt követő fél évszázadban az algológusok a pirenoidot gyakran használták rendszertani jelzőként, de a fiziológusok nem tudták fontosságát megmagyarázni vízi fotoszintézisben. Az 1980-as évek elejéig feltételezett klasszikus paradigma szerint a pirenoid a keményítőszintézis helye volt. A mikroszkópos megfigyelések könnyen félrevezetőnek bizonyulhattak, mivel a pirenoidok körül gyakran van keményítőhéj. A normál keményítőszemcsékkel rendelkező pirenoidhiányos és a tökéletes pirenoiddal rendelkező keményítőmentes Chlamydomonas reinhardtii-mutánsok megcáfolták e hipotézist.
1971-ig nem volt ismert, hogy a pirenoid fehérjetermészetű: ekkor izolálta Holdsworth zöldmoszatból, kimutatva, hogy 90%-ban biokémiailag aktív RuBisCO-ból áll. Az ezt követő évtizedben egyre több bizonyíték mutatta ki, hogy egyes algák képesek sejten belüli oldottszervetlenszén-sűrűsödéseket létrehozni és CO2-dá átalakítani a környező közegénél sokkal nagyobb koncentrációban. Badger és Price feltételezték először a cianobaktériumok karboxiszómájával analóg funkciót, a CCM-aktivitást. A zuzmók alga- és cianobaktérium-fotobiontái CCM-aktivitását gázcsere- és szénizotóp-megkülönböztetés is igazolta, Palmqvist és Badger et al. a pirenoiddal hozták összefüggésbe A becősmoha-CCM-et 1996-ban jellemezték Smith és Griffiths. Ezután a pirenoidot az algák szénszerző módszereként tanulmányozták, de nincs precíz molekuláris meghatározása.
Scenedesmus quadricauda differenciálinterferenciakontraszt-mikrográfja jól látható pirenoiddal (4 központi kerek szerkezet)
Szerkezet
Nagy morfológia és ultraszerkezet
Jelentős eltérés van a pirenoidok morfológiája és ultraszerkezete terén alga- és becősmohafajokban. Közös jellemzőjük egy szferoid alakú, elsősorban RuBisCO-ból álló mátrix. A legtöbb pirenoiddal rendelkező fajban ezen tilakoidmembránok haladnak át, melyek a stromalis tilakoidokban folytatódnak. Az egysejtű Porphyridium purpureum vörösmoszatban az egyes membránok áthaladnak a pirenoidon, a Chlamydomonas reinhardtiiban több tilakoid egyesül a pirenoid perifériáján a mátrixon áthaladó nagy tubulusokat alkotva. A karboxiszómával ellentétben a pirenoidot nem határolja fehérjemembrán. A periférián gyakran keletkezik keményítőhéj, méh ha az a citoszolban is keletkezik.
Transzmissziós elektronmikroszkóppal vizsgálva közel körkörös elektronsűrű szemcsés szerkezetként látható. Korai tanulmányok szerint az Achnantes brevipes kovamoszat és a Prorocentrum micans páncélos ostoros pirenoidjában a RuBisCO kristályos. Későbbi tanulmányok szerint azonban a Chlamydomonas pirenoidmátrixában a RuBisCO nem kristályrácsba rendeződik, hanem a pirenoid fázisszeparált folyadékszerű sejtszervecske.
A Porphyridiumban és a Chlamydomonasban egy fénymikroszkóppal jól látható pirenoid van egy kloroplasztiszban. Ezzel szemben a kovamoszatokban és a páncélos ostorosokban több pirenoid is lehet. A Chlamydomonas-pirenoid plasztiszosztódáskor a plasztisszal együtt osztódhat. Ritka esetekben, ha nincs osztódás, új pirenoid keletkezik de novo. A pirenoidok részben a plasztiszstromába oldódnak osztódáskor, ez oldott anyagok új pirenoiddá alakulhatnak, ha nem öröklődik az osztódáskor a pirenoid.
Molekuláris részek
A C. reinhardtiiban:
mutagénekkel végzett munka kimutatta, hogy a RuBisCO kis alegysége fontos a pirenoidmátrixhoz, és hogy két közegnek kitett α-hélixe szükséges a folyamathoz.
a RuBisCO pirenoidba kerüléséhez szükséges a rendezetlen RuBisCO-kötő EPYC1 fehérje, mely feltehetően több RuBisCO-holoenzim összekapcsolásával hozza létre a pirenoidmátrixot. A két fehérjéről kimutatták, hogy elegendő a C. reinhardtii-pirenoidokhoz hasonló fázisszeparált cseppek létrehozásáról, ami további bizonyíték az EPYC1 kapcsolószerepére.
A SAGA1 és MITH1 szükségesek és együtt elegendők a mátrixon áthaladó membránok megjelenésére még szövetes növények, például Arabidopsis thaliana esetén is. Ezek nélkül nincs lehetőség a CO2 pirenoidba kerülésére.
A Chlamydomonas pirenoidproteomját 2018-ban írták le, a pirenoiddal kapcsolatos fehérjék helyeit és kölcsönhatásait 2017-ben szisztematikusan meghatározták. Pirenoidfehérjék például a RuBisCO-aktiváz és a nitrit-reduktáz.
A Chlamydomonas pirenoidja körül nagy molekulatömegű kétfehérjés komplex (LCIB/LCIC) koncentrikus réteget alkot a keményítőhéjon kívül, ez feltehetően a CO2-szivárgást akadályozó vagy a kiszabaduló CO2-ot újra befogó mechanizmus.
Szerepe a szénkoncentrációban
A C. reinhardtii CCM-szerkezete. 1: sejten kívüli környezet. 2: sejtmembrán. 3: sejtplazma. 4: plasztiszmembrán. 5: stroma, 6: tilakoidmembrán, 7: tilakoidlumen, 8: pirenoid
A CO2-kötő enzim sejten belüli mikrorészre való korlátozása a CO2-ot oda szállító mechanizmussal együtt feltehetően növeli a fotoszintézis hatékonyságát vizes környezetben. A CCM a karboxilációnak kedvez a fotorespirációval szemben. A pirenoid és a CCM molekuláris alapjait tanulmányozták a C. reinhardtiiban.
A jelenlegi pirenoidalapú CCM-modell aktív hidrogén-karbonát-transzporton alapul a sejten kívüli környezetből a RuBisCO közelébe a sejt-, a plasztisz- és a tilakoidmembránokon lévő transzportfehérjék révén. A periplazmában, a sejtplazmában és a stromában lévő szénsav-anhidrázok fenntarthatnak magas sejten belüli oldottszervetlenszén-szintet, elsősorban hidrogén-karbonát formájában. Ez később feltehetően transzpirenoid tilakoidok lumenjébe kerülhet, ahol egy szénsav-anhidráz a hidrogén-karbonátot CO2-dá alakíthatja, és karboxilező szubsztráttal telítheti a RuBisCO-t. Feltehetően a különböző algákkkel rendelkező fotoszintetikus élőlények különböző típusokat fejlesztettek, de közös jellemzőjük, hogy a szénsav-anhidrázokon, szervetlenszén-transzportereken és RuBisCO-rendező egységeken alapulnak.
A pirenoidok erősen rugalmasak, és a RuBisCO-rendeződés mértéke a CCM indukciós állapotától függ. A Chlamydomonasban represszált CCM – például CO2-gazdag környezet – esetén a pirenoid kicsi, mátrixa rendezetlen. A Gonyaulax páncélos ostorosban a RuBisCO helyzetét a pirenoidban cirkadián kontroll alakítja: nappal csoportokat alkot a sejt közepén, éjjel ezek szétválnak.
Fiziológia és szabályzás
A CCM indukálható, általában az alacsony CO2-szint hatására. A Chlamydomonas-CCM indukcióját és szabályzását 2012-ben transzkriptomikailag tanulmányozták, kimutatva, hogy a 3 gén egyikét a CO2-szint változása szabályozza. A ChlamydomonasCO2-érzékelésében egy, két laboratórium által együtt felfedezett „főkapcsoló” is részt vesz. E gén, a Cia5/Ccm1, több mint 1000 CO2-reszponzív gént irányít, és a RuBisCO-rendezés mértékét is szabályozza.
Eredet
A CCM csak alacsony CO2-szint mellett indukálható, és ez indítószintek léte alapján, melyek alatt bekövetkezhet az indukció, a pirenoidhoz hasonló mechanizmusok megjelenése idejének vizsgálatára lehet következtetni.
Több elmélet szól a pirenoidok eredetéről. Az egyik szerint a szárazföldön megjelenő Streptophyta-fajokkal a CO2-szint jelentősen lecsökkent, ezzel együtt pedig az oxigénszint nőtt. Feltehetően e jelentős CO2-szint-csökkenés okozta a CCM – így a pirenoid – megjelenését, lehetővé téve, hogy a CO2-szint csökkenése ellenére ne legyen a fotoszintézis korlátozó tényező.
Azonban alternatív hipotézisek is vannak. Korábbi CO2-szintek becslései szerint azok az embriós növények mintegy 300 millió évvel ezelőtti megjelenése előtt is hasonlóan gyorsan csökkentek a proterozoikum során. Ez esetben hasonló evolúciós nyomás okozta a pirenoid létrejöttét, ez esetben a pirenoidok és a hasonló szerkezetek kialakultak, majd a CO2-szintek emelkedésekor megszűntek, majd újból megjelentek a szárazföldi növények megjelenésekor. A rövid időn belüli többszöri pirenoidszerzés és -vesztés ismert a becősmohákban.
12Villarreal JC, Renner SS (2012). "Hornwort pyrenoids, carbon-concentrating structures, evolved and were lost at least five times during the last 100 million years". Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (46): 1873–1887. PMID23115334.
↑Robison TA, Oh ZG, Lafferty D, Xu X, Villarreal JCA, Gunn LH, Li FW (2025. január 3.). "Hornworts reveal a spatial model for pyrenoid-based CO2-concentrating mechanisms in land plants". Nature Plants. Nature Publishing Group: 1–11. doi:10.1038/s41477-024-01871-0. ISSN2055-0278.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑Brown RM, Arnott HJ, Bisalputra T, Hoffman LR (1967). "The pyrenoid: Its structure, distribution, and function". Journal of Phycology. 3 (Suppl. 1): 5–7.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑Schmitz F (1882). Die Chromatophoren der Algen. Vergleichende untersuchungen über Bau und Entwicklung der Chlorophyllkörper und der analogen Farbstoffkörper der Algen. Bonn: M. Cohen & Sohn (F. Cohen).
↑Schimper AFW (1883). "Über die Entwicklung der Chlorophyllkörner und Farbkörper". Botanische Zeitung. 41: 105–120, 126–131, 137–160.
↑Villarejo A, Plumed M, Ramazanov Z (1996). "The induction of the CO2 concentrating mechanism in a starch-less mutant of Chlamydomonas reinhardtii". Physiol Plant. 98: 798–802.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑Brody M, Vatter AE (1959). "Observations on cellular structures of Porphyridium cruentum". The Journal of Biophysical and Biochemical Cytology. 5 (2): 289–294. PMID13654450.
↑Sager R, Palade GE (1957). "Structure and development of the chloroplast in Chlamydomonas I. The normal green cell". The Journal of Biophysical and Biochemical Cytology. 3 (3): 463–488. PMID13438931.
↑Wilson S, West J, Pickett‐Heaps J, Yokoyama A, Hara Y (2002). "Chloroplast rotation and morphological plasticity of the unicellular alga Rhodosorus (Rhodophyta, Stylonematales)". Phycological research. 50 (3): 183–191.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑Meyer MT, Genkov T, Skepper JN, Jouhet J, Mitchell MC, Spreitzer RJ, Griffiths H (2012). "RuBisCO small-subunit α-helices control pyrenoid formation in Chlamydomonas". Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (47): 19474–19479. PMID23112177.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑Yamano T, Tsujikawa T, Hatano K, Ozawa SI, Takahashi Y, Fukuzawa H (2010). "Light and low-CO2-dependent LCIB–LCIC complex localization in the chloroplast supports the carbon-concentrating mechanism in Chlamydomonas reinhardtii". Plant and Cell Physiology. 51 (9): 1453–1468. PMID20660228.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑Moroney JV, Ynalvez RA (2007). "Proposed carbon dioxide concentrating mechanism in Chlamydomonas reinhardtii". Eukaryotic cell. 6 (8): 1251–1259. PMID17557885.
↑Grossman AR, Croft M, Gladyshev VN, Merchant SS, Posewitz MC, Prochnik S, Spalding MH (2007). "Novel metabolism in Chlamydomonas through the lens of genomics". Current Opinion in Plant Biology. 10 (2): 190–198. PMID17291820.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑Brueggeman AJ, Gangadharaiah DS, Cserháti MF, Casero D, Weeks DP, Ladunga I (2012). "Activation of the carbon concentrating mechanism by CO2 deprivation coincides with massive transcriptional restructuring in Chlamydomonas reinhardtii". The Plant Cell. 24 (5): 1860–1875. PMID22634764.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑Xiang Y, Zhang J, Weeks DP (2001). "The Cia5 gene controls formation of the carbon concentrating mechanism in Chlamydomonas reinhardtii". Proceedings of the National Academy of Sciences. 98 (9): 5341–5346. PMID11309511.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑Fukuzawa H, Miura K, Ishizaki K, Kucho KI, Saito T, Kohinata T, Ohyama K (2001). "Ccm1, a regulatory gene controlling the induction of a carbon-concentrating mechanism in Chlamydomonas reinhardtii by sensing CO2 availability". Proceedings of the National Academy of Sciences. 98 (9): 5347–5352. PMID11287669.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑Fang W et al. (2012). "Transcriptome-wide changes in Chlamydomonas reinhardtii gene expression regulated by carbon dioxide and the CO2-concentrating mechanism regulator CIA5/CCM1". The Plant Cell. 24 (5): 1876–1893. PMID22634760.
↑Meyer M, Griffiths H (2013). "Origins and diversity of eukaryotic CO2-concentrating mechanisms: Lessons for the future". Journal of Experimental Botany. 64 (3): 769–786. doi:10.1093/jxb/ers390. PMID23345319.