Lenindzher Основы биохимии т.2 (1128696), страница 95
Текст из файла (страница 95)
В 1966 г. Андрэ Ягендорф поставил важный эксперимент, доказавший, что источником энергии для синтеза АТР действительно может служить т рансмембранный градиент рН, обращенный щелочным концом наружу. Сначала он инкубировал хлоропласгы в темноте в буферном растворе (рН 4), который медленно проникал во внутренний компарз-мент тилакоидов. снижая рН нх солержимого. Затем, после добавления к этой темновой суспензии хлоропластов А)ЭР и фосфата, ан быстро доводил рН среды ло 8, добавляя к ней щелочной буфер. т, е. мгновенно создавал боль шой зрансмембранный градиент рН. Когла этот градиент начинал уменьшаться вследствие выхола ионов Н" из гилакоидов в среду, происходило образование АТР из АВР и фосфата.
Поскольку АТР синтезировался в темноте, этот эксперимент доказывал, чта транс- мембранный градиент рН есть высокоэнергез ическое состояние, посредством которого энергия переноса электронов передается АТР-синтетазе, получающей таким образом возможность генерировать АТР, как это постулируется хемиосмотической гипотезой. Изменение стандартной своболной знергии в процессе синтеза глюкозы из Сот и Нзо 6СО, + 6Н,О - СсН „Ов + 6О, равно + 686 ккал7моль (вспомним, чта окисление глюкозы, представляющее собой обращение этого процесса, сопровождается уменыаением станлартиай своболной энергии на 686 ккал,'моль). Сравним теперь эту потребность в энергии с количеством энергии, поставляемым световыми реакциями фотосинтеза растений.
Как мы уже знаем, лля переноса одного электрона от Н,О к )ч)АОР ' лолжно быть поглощено два кванта света, по одному на каждую фотосистему. Образование одной молекулы Оз сопряжено с переносом четырех электронов, т. е. требует по~лощения восьми квантов. Для выделения шести молекул О, в соответствии с приведенным выше уравнением лолжно быть поглощено и использовано 6. 8 = 48 квантов. Поскольку энергия одного «малан квантов колеблется от 72 ккал при 400 нм до пример- ГЛ. 23. ФОТОСИНТЕЗ 701 но 41 ккал прн 700 нм 1табл.
23-1), зеленым клеткам в стандартных условиях для образования одного моля глюкозы, которь>й «стоит» 686 ккачь требуется от 48.41=!968 до 48.72= 3456 ккал — в зависимости от длины волны поглощаемого света. 23.19. Фотосинтетическое образование гексоз связано с реальным восстановлением двуокиси углерода Познакомимся теперь с тем, каким образом фотосинтезирующие организмы образуют глюкозу и прочие углеводы из СО2 и Н О, используя для этой цели энергию АТР и ХА)3РН, образующихся в результате фотосинтетического переноса электронов.
Здесь мы сталкиваемся с существенным различием между фотосинтезируюшими организмами и >.етеротрофами. Зеленым растениям и фотосинтезируюшим бактериям двуокись углерода может служить единственным источником всех углеродных атомов, какие требуются им не только для биосинтеза целлюлозы или крахмала, но и для образования липидов, белков и многих пру~их органических компонентов клетки. В отличие от них животные и вообще все гетеротрофные организмы не способны осуществлять реальное восстановлениеСО2 и образовывать таким образом «новую» глюкозу в сколько-нибудь заметных количествах. Мы, правда, видели.
что СО2 может поглощаться животными тканями, например в ацетил-СоА-карбоксилазной реакции во время синтеза жирных кислот Ацетил-СоА + СО2 + АТР + Н>О-+ — >Малонил-СоА + АОР + Рь но эта СО2, включившаяся в малонил- СоА, утрачивается на одном из последующих этапов )разя. 21.7). Сходным образом теряет ор> аниэм и ту СО2, которая поглощается животными тканями прн участии пнруваткарбоксилазы в процессе глюконеогенеза )разя. 20.2) или при участии карбамоилфосфат-синтета- зы 1 в процессе образования мочевины (разд. 19.17). Ясно, что у растений и других фотосинтезируюших организмов должен существовать какой-то определенный метаболнческий путь для использования СО в качестве единственного источника углерода при синтезе глюкозы.
Сам по себе этот путь не требует света — составляющие его реакции протекают в темновой фазе фотосинтеза 23.20. Двуокись углерода фиксируется в форме фосфоглицерата Важным ключом к пониманию механизма фиксации СО2 у фотосинтезирующих организмов послужили рабо~ы Мелвила Кальвина и его сотрудников в Калифорнийском университете в Беркли, выполненные в конце 40-х годов. Исследователи освещали суспензию зеленых водорослей в течение всего нескольких секунд в присутствии радиоактивной двуокиси углерода 1>~СО>), а затем быстро убивали клетки, эксграгировали нх и хроматографическими метолами определяли, в каких метаболитах радиоактивный углерод появлялся раньше всего.
Первым соединением, включившим метку, оказался 3-16ос16оглииеро>я, один из промежуточных продуктов гликслиза )разд. 15.7б). Расщепление этого соединения показало, что радиоактивный углерод сосредоточен главным образом в карбоксильной группе. Это было очень важным открьпием, потому что в животных тканях в присутствии радиоактивной СО2 не наблюдается быстрого включения метки в углерод карбоксильной группы. Полученные результаты, следовательно, давали все основания считать. что 3-фосфоглицерат является одним из первых промежуточных продуктов фотосинтеза. В пользу этого >оворнл и тот факт, что 3-фосфоглицерат быстро превращается в глюкозу в растительных экстрактах.
Дальнейшие исследования позволили выявить в экстрактах из зеленых листьев фермент. ответственный за переход >~СО> в ор>аннческую форму. Им ока- 702 ЧАСТЬ П. БИОЭНЕРГЕТИКА И МГТАБОЛИЗМ Зс 'С ! 2С ) 3С ) ЯС ) зс Рибулоэо- дифосфат 2С ) 1 ) чС ) вС ) 2С '4С О 1С 1 2С 1 хс 3-фосфо - ! 'лыко:и глнцорат 1СНз — Π— РОз' ) С=О ! Н вЂ” С вЂ” ОН ) Н вЂ” С вЂ” ОН 2СН (-) РО 3- Рибулоэо- 1,б-дифосфат залась рибулозог)ифосфат-карбоксц.таза. катализирующая ковалентное включение СО, и одновременное расщепление пятиуглеродного сахара рибулозо-1д«)ифосфаша с образованием двух молекул З-фосфоглицерата, из которых одна несет в своей карбоксильной группе радиоактивный углерод, включенный в виде СО2 (рис.
23-1 7). Этот фермент, не встречающийся в животных тканях, имеет очень сложное строение (рис. 23-18) и молекулярную массу 550000; локализуетси он на наружной поверхности тилакондной мембраны. На долю его приходится около 15г всего белка хлоропластов. Рибулозодифосфат-карбоксилаза — самый распространенный фермент в биосфере. Это главный фермент. ответственный за образование биомассы из СО2 в растительном мире. З-фосфоглицерат, образовавшийся под действием рибулозодифосфат-карбоксилазы, может затем превращаться в глюкозо-6-фосфат путем обращения гликолитических реакций с использованием РибулоэодифосфатН,О карбохсилаза СН,— Π— РО,' В.фосфоглнцерцт — 1 — О СОО Н вЂ” С вЂ” ОН Зчфосфоглнцират ( ! СНз — Π— РО,*- Рис.
23-(7. Фиксецня двуокиси углероле в ре- вклигг. хетеппируемой рибулозолифосфет-квр- баксплвтой. Фикснровеннея СО, обнвруживз- ется в зиле кербоксильной группы одной нт лвух молекул З-фасбюглипсрете, обрязунпцих- сн в тт.ой реекппн. Рис. 23-(В Субьелиничнея структяж рибуло- толифосфвг-кнрбоксвлвхы (ен) сверху) Непо- средственно под набором ит воъми субьеди- ннц, который здесь прелствелеи, лежит второй набор точно таких же субъелиниц. Таким обрв- зом, молекула ферменте состоит из восьми больших, или кнтнлмических. субъслинип (С) и восьми малых.
иле рсгуляторных. (и). Рис. 23-!9 Ферменты не способны отличить друг от друге лве молекулы з-фосфоглицеретв. абрнховевшиеся ит рибулозо-(,з-дифосфнте. Поэтому в опытнх с меченой лвуовнсыо угле. рода ('зСОз) метке„еключеюшяяся в конечном счете в глюкозу, обнеруживеется в ней квк в положении 3. гек и в положении а «обходной» фруктозодифосфатазной реакции (разд. 20.3], точно так же, как это происходит в животных тканях.
Схема на рис. 23-19 содержит указание на эту последовательность реакций. 23.21. Глюкоза образуется из СО2 в цикле Кальвина Реакции„о которых лают представление рис. 23-17 и 23-19, могут объяснить нам реальное превращение СО2 лишь в один из шее~и углеролных а(омов глюкозы.
Каким же образом получаются из ГО2 еще пять углеродных атомов глюкозы? В поисках ответа на этот вопрос Кальвин с сотрудниками постулировали существование сложного циклического механизма, обеспечивающего полный биосинтез глюкозы, т. е.
образование всех ее шест.и углеродных атомов ГЛ. 23. ФОТОСИНТЕЗ 703 ~ ЗР,~ ЗГЗФТ вЂ” ФЗФДФ~~ Гбф лгмт Зфбф 2фбф1 2ГЗФ 2 ГЗФ~ 1 2 Э4Ф + 2 Д1'АФ ф сдф 2Рз 'у 4 КсЗФ + 2КсЗ Рис 23-20 Цикл Кальвина преврацпние СО, в П-глюкозу в процессе фотосинтеза. Вступающа» в цикл СОз н «онечиый продукт, глюкоза, показаны на красном фоне. Все прочие соепиненив, вступаюц~ие в цикл или выкодяюне из него, обведены рамкой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
