Дж. Уилсон, Т. Хант - Молекулярная биология клетки - Сборник задач (1120987), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Если при фиксации одного моля СО с образованием углевода потребляется 112 икал/моль, какова эффективность превращения световой энергии в химическую после захвата фотона? Предположйте опять, что для фиксации одной молекулы СО, требуется восемь фотонов красного света (680 нм). Предположим, что ваш руководитель решил расширить круг объектов для изучения фотосинтеза от водорослей до высших растений и поручил вам изучить фотосинтетическую фиксацию углерода у кактусов. Сначала опыты не дают положительных результатов; у вас получается, что растения кактуса не фиксируют СОз даже при прямом солнечном освещении.
Ваши коллеги, изучая одуванчики, получают в тех же условиях прекрасное включение '4СО, в течение нескольких секунд с момента добавления углекислоты и легко картируют новые биохимические пути. Находясь в подавленном состоянии, вы однажды уходите из лаборатории, не разобрав камеры для работы с радиоактивными веществами. На следующее угро, собираясь закончить работу с кактусом, вы к своему великому удивлению обнаруживаете, что он включил большое количество 'аСО . Очевидно, что кактус фиксировал углерод ночью. Повторив эти опыты ночью в полной темноте, вы устанавливаете, что растения кактуса великолепно включают метку.
Сильно изменив распорядок дня (на что ваша жена смотрит с подозрением), вы наконец добиваетесь некоторого прогресса в работе. Оказывается, что после кратковременной экспозиции с '~СО в растении метится в основном только одно соединение — малат. За ночь это меченое соединение накапливается, причем до очень высокого уровня, в специализированных вакуолях внутри клеток, содержащих хлоропласты. Кроме того, в этих же клетках исчезает крахмал. Однако днем на свету исчезает малат и накапливается меченый крахмал.
Далее вы обнаруживаете, что "СО, вновь появляется в этих клетках на свету. Эти результаты по некоторым признакам напоминают потребление СО, С4-растениями, но по другим признакам сходства нет. А. Почему для образования в клетках как~уса крахмала нужен свет? Так ли обстоит дело и с С,-растениями? Б. Исходя из реакций потребления СО, С -растениями, представьте в виде краткой схемы путь фиксации в кактусе. Какие реакции протекают в нем днем„а какие — ночью? В.
Кактус, потеряв весь крахмал, не мог бы фиксировать СО,, тогда как С -растения фиксируют углекислоту и в таком случае. Почему лля фиксации СО, кактусу требуется крахмал, а С,-растениям — нез? Г. Можете ли вы обьяснить, почему указанный выше метод фиксации СО, выгоден для растений кактуса? 88 Глава 7 Рис. 7-12. Опыт по выявлению спектра действия для ннтчатых зеленых водорослей (задача 7-23).
Бактерии, обозначенные маленьки- ми прямоугольничками, в начале опыта были равномерно распреде- лены по пробирке. Рне пер 650 (зал прн так, выд -ьь .т. 460 500 600 700 ультраФиолет Синий Зеленый Желтый Кратный Инфракрасный 7-23 Детальное изучение спектров поглощения и спектров действия у растений привело в конечном итоге к представлению о двух взаимосвязанных фотосистемах, действующих в хлоропластах. Спектр поглощения свидетельствует о количестве световой энер. гии, поглощенной фотосинтетическими пигментами при разных длинах волн.
Спектр действия-это скорость фотосинтеза (выраженная, например, в количестве выделяемого Ох или фиксируемого СО,), зависящая от ула~ливания фотонов. Первое измерение спектра действия было сделано, по-видимому, в 1882 г. Т. Энгельманом, использовавшим простое оборудование и остроумный план эксперимента. Он помещал нитчатые зеленые водоросли в пробирку с суспензией потребляющих кисло.
род бактерий и сначала давал бактериям возможность поглотить весь кислород из среды, а затем освещал пробирку светом, который был пропущен через призму для получения спектра. Через короткое время Энгельман наблюдал картину, изображенную на рис. 7-12. Охарактеризуйте спектр действия этой водоросли х объясните, что произошло в опыте. 7-24 Если бы все пигменты улавливали световую энергию и передавали ее в фотосистему с одинаковой эффективностью, то спектр погло. щения и спектр действия должны были бы иметь одинаковую форму; однако два спектра несколько различаются (рис.
7-13, А), Если берут отношение двух спектров (рис. 7-13, Ь), то выявляетсз сильно выраженное различие при больших длинах волн-так пазы ваемое «красное падение». В 1957 г. Эмерсон обнаружил, что осла облучать растение светом, состоящим из более коротких (бз0 нм) и более длинных, но менее эффективных для фотосинтеза (700 нм), длин волн, то скорость выделения Оз становится гораздо болю высокой, чем при использовании света только одной из указанньп выше длин волн. Этот результат, который наряду с другиьн фактами указывает на то, что две фотосистемы (называемы~ Рне. 7-13. Спектры поглощения и действия (А) и отношение спектра действия к спектру поглощения (Б) для водоросли СЫо«ейа (задача 7-24).
Спектр действиа показывает вьщеление О, при разных длинах волн. Ордината (Б) дана в произвольных единипах. и * то о с о с 8 05 й 8 о О с т,о „в 8$ ,й„' 'йб 8$ ' Рне. 7- пнтохг рослей в отсуз )ЗСМК. ' лнагра т нижнят ~ мов. 500 600 Длина волны, ны 400 ВЮ ВЮ 700 Длина волны,ны с с и Время я х Э- л 680 562 562 я с см о о с о я с Ю н Рве. 7-15. Состояние окисления ипохромов после освещения водо- рослей светом разных длин волн в отсутствие (А) и в присутствии (Е) ВСМО (задача 7-22Ь Верхняя дввграмма-окисление цитохромов; ввввяя-восстановление цитохро- иов. с о 76 Время, с !5 2О Э- э- 2Е огь М, ез ча н ою ). ся ым) 4), ми ые Рве.7-14. Хроматические перехо- ди, наблюдаемые нри быстром переключении света с длины волны 550 нм на длину волны 700 нм (задача 7-24).
Интенсивности света ярн двух длинах волн подобраны так, чтобы во всех случаях скорость выделения О была одинаконой. Преобрааование внергнн: митохондрии и хлоролласты 89 теперь фотосистемой 1 и фотосистемой П) взаимодействуют друг с другом, привел к созданию знакомой У;схемы фотосинтеза.
Важные данные о том, в каком порядке две фотосистемы связаны друг с другом, были получены в опытах, где освещение проводили попеременно источниками света с длинами волн 650 и 700 нм. Как видно из рис. 7-14, переключение освещения с 700 на 650 нм сопровождалось кратковременной «вспышкойл выделения О„тогда как переключение света с длины волны 650 на 700 нм сопровождалось временным подавлением выделения О,. Используя свои знания о Е-схеме фотосинтеза, попытайтесь объяснить, почему происходят эти так называемые хроматические переходы, и сделайте заключение о том, к какому свету, с длиной волны 650 или 700 нм, более чувствительна фотосистема П, которая принимает электроны от Н2О.
7-25 Наиболее убедительное раннее доказательство Е-схемы фотосинтеза было получено в опытах по измерению состояния окисления цитохромов в водорослях при разных режимах освещения (рис. 7-!5). Освещение светом с длиной волны 680 нм вызывало окисление цитохромов (линия на графике поднимается вверх); дополнительное освещение светом с длиной волны 562 нм вызывало восстановление цитохромов (линия на графике идет вниз); Б 680 562 562 886 90 Глава 7 ао я 60 о б 40 е я " го о 2 4 6 8 10 !2 14 Номер ваоетшии авета Рне.
7-16. Выделенно кислорода хлоропластамн шпината в ответ на наеыщающне вспышки света (задача 7-26). Хлоропласты предварвтельно помещали в темноту на 40 мнн, чтобы онн все пришли в одинаковое «фоновое» состояние. А Б В 7-26 оба эффекта можно было обратить путем выключения источника света (рнс. 7-15, А). В присутствии гербицида ОСМ(), блокирую. щего транспорт электронов через цнтохромы и подавляющего о я выделение О,„восстановление цнтохрома светом с длиной волны 562 нм прекращалось, вместо этого происходило неболыпое м 1оо, дополнительное окисление (рис.
7-15, Ь). Свет какой длины волны стимулирует фотосистему 1, а какой — фо. ," тосистему П у исследованных водорослей? Каким образом эти результаты подтверждают 7.-схему фотосинтеза, т. е. идею о том, что существуют две фотосистемы, связанньк о цитохромами? В какой части цепочки цнтохромов гербицид ОСМ() блокирует Рае. 7 электронный транспорт — ближе к фотоснстеме 1 или к фотосистеме „ П? (НС)) Фотоснстема П принимает электроны от воды, что сопровождает.
Растят ся образованием О,, и передает их затем по электронтранспортноа 7-27). цепи к фотосистеме 1. Каждый фотон, поглощенный фотосистемой е'твнн П, может вызвать перенос только одного электрона, и еще четыре он'1нн электрона должны быть о~пяты от воды, чтобы образовалась одне ""й "' случая молекула Ог. Таким образом, для выделения одной молекулы действ кислорода необходимо четыре фотона: 2НгО + 46ч — 4е + 4Н+ + О . 15 с ш н етрг Каким образом объединены четыре фотона при образовании Ог! вал„н Обязательно лн, чтобы четыре фотона достигли одного реакпнов. синтез ного центра одновременно? Могут ли четыре активированныгАТР. реакционных центра действовать кооперативно для выделенш одной молекулы Ог? Или существует некий тнп «зубчатого коле.
са», отбирающего четыре электрона от воды и переносящего их па одному в реакционный центр? Чтобы изучить эту проблему, вя освещаете выдержанные в темноте хлоропласты шпината серией коротких насыщающих вспьпнек света (длительностью 2 мкс) разделенных небольшими интервалами темноты (0,3 с), и изме. ряете выделение О,, пронсходягцее в результате этих вспышек При таком световом режиме большинство фотоснстем улавливаег фотон прн каждой вспышке. Как видно из рис. 7-16, О, выделяетсг с отчетливой периодичностью: первый резкий подъем выделены О, приходится на момент третьей вспышки света, а последую1цат пики- на каждую четвертую вспышку начиная с этого момента.
Если вы сначала подавляете реакционные центры фотосистемя П гербицидом ОСМ(3 (на 97%), а затем повторяете вышеописав. ный опыт, то будет наблюдаться та жс периодичность выделены О„но пики будут составлять только 3% от их величин в опыте 641 зоо ингибнрования.
в А. Каким образом эти результаты помогают выбрать одну из грег' 21го возможностей, сформулированных в начале этого раздела (одно-' временное действие, кооперативность между реакционными цешеч рами, «зубчатое колесо»)? и 1ОО Б. Как вы считаете, почему первый подъем выделения О, происхода1 в после третьей вспышки света, тогда как последующие максимума возникают с периодичностью в четыре вспышки? (Какой вывоз можно сделать из этого наблюдения относительно состоянш хлоропластов, адаптированных к темноте?) В.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
