И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 47
Текст из файла (страница 47)
АТФ-синтаза хлоропластов представляет собой мембранно-связанный белковый комплекс, который можно раздслить на две части — СРр и СРь Сопрягающий фактор СРа — это интегральный гидрофобный белок мембраны, выполняющий функцию протонного канала. У высших растений СРа состоит из 4 типов субъединиц: субъединица ! осуществляет связь СРа с СР,; субъединица П организует 12 копий субьединицы!11, которые образуют олигомерное колыю и, взаимодействуя с субьединицей 1Н, обеспечивают транслокацию Н из люмена в строму. Стехиометрический состав СРО: 1и 11„1Ц и, 1Н, У Езслепсйа со!! Ро (гл. 2, рис.
2.2) состоит из трех типов субъединиц: а„Ьн Ьь Сд Сопрягающий фактор 1 (СР,), водорастворимый белковый комплекс на стромальной поверхности мембраны, состоит из 5 типов субъединиц в соотношении о ь бв у, 6, а. СР, содержит три каталитических центра синтеза АТФ, расположенных на трех !1-субъединицах, и выполняет также структурную функцию, закрывая протонный канал мембраны. При удалении СР, с поверхности мембраны (обработкой растворами ЭДТА, бромида натрия) хлоропласты теряют способность к фосфорилированию, что обусловлено не только удалением структур, нссущих каталитические центры, но также увеличенном протонной проводимости мембран и потерей их способности сохранять протонный градиент, Три пары субъединиц а и !! образуют гексамер (пр)ъ который содержит каталитические и регуляторные центры.
Субъединицы т и а формируют «ствол» АТФ-синтазы и играют ведущую роль в энергетическом сопряжении процессов транслокации протонов и работы каталитических цснтров. При враще~ ~ни субъединиц у и а в холе катализа конформационные сигналы передаются на пары субъединиц сч!. В результате этого происходит захват нуклеотидов (АДФ)„ синтезируется АТФ и высвобождается ранее синтезированная молскула АТФ.
Центральную роль в каталитическом процессе играет т-субъединица. Регуляция каталитической активности фермента осуществляется при участии редокс-механизма, включающего обратимое окисление и восстановление дисульфидной связи в т-субъединице СРь Субъединица а выполняет также регуляторную функцию: будучи ингибитором АТФазной активности СРн она осуществляет кинетический контроль активности Фермента. Субъединица 8 участвует в 188 связи Сра и СЕ,: она ассоциирована с парой субъединиц а и !) и с субъединицами! и П. В соответствии с ротационной теорией Бойера (ротационный механизм детально описан в гл.
2, рис. 2.3) для нормального функционирования АТФ- синтазы необходимо прочное сопряжение процессов транслокации протонов, вращательного движения субъединиц а и у и взаимодействия их с (ар)з-гексамером. Согласно ряду исследований (М. Гога! ег а1., 2000), субъединицы П! и 1Ъ' (в СЕа) образуют единый комплекс, в котором субьединица О1 совместно с субъединицами 1, П и Ь функционирует как статор„удерживающий (а!3)згексамер, а ! 2 субъединиц П1 служат основанием ротора, сопряженным с субьединицами у и е. При транслокации протонов через каналы субъединицы Р1 и последовательном протонировании и депротонировании карбоксильной группы аминокислоты (аспарагин-61) в каждой из 12 субъединиц П1 происходит вращение олигомера 1П с последующим переносом протона в стромальное пространство.
Движущей силой движения Н является трансмембранная разность протонных потенциалов в люмене (высокий) и строме (более низкий). Вращательное движение олигомера 1П благодаря аминокислотным контактам сопряжено с вращением субъединиц т и е. Это вызывает их конформационные изменения с последующей передачей конформационных сигналов в каталитические центры субьединиц 0 благодаря взаимодействию о.-спиралей субъединиц у с тремя субъединицами Р. Таким образом, в результате взаимодействия СЕа и СР, осуществляется передача конформационных сигналов, индуцированных транслокацией протонов через мембрану при участии субъединиц П1 и ГК Функциональное сопряжение между субъединицами осуществляется за счет ионизированных остатков аминокислот.
Структурная организация каталитических центров СР, исслелована методом рентгеноструктурного анализа. Показано, что три б-субъединицы имеют неодинаковую конформацию и их каталитические центры связывают разные нуклеотиды. Один из центров содержит АТФ (бть), другой — АДФ (!)дф), а в третьем нуклеотида нет (ба). Каталитические центры б-субъединиц, связанных с нуклеотидами (АТФ и РДФ), находятся в закрытой конформации, а центры !1-субъединиц, не связанных с нуклеотилами, — в открытой конформации.
При функционировании фермента имеет место переход от закрытой к открытой конформации !!в. Основу гипотезы Бойера составляет идея кооперативности работы катали.'' тических центров, согласно которой каждый из трех каталитических центров лощгедовательно проходит через три различных конформационных состояния втечение каталитического цикла (П.
Бойер„ ! 993). Нуклеотидсвязывающие цент,; ры 0-субъединиц в ходе катализа взаимодействуют сопряженно и кооперативно. Последовательная передача конформационных изменений от одних центров к другим осуществляется путем изменения ориентации боковых цепей : аминокислот в каждом каталитическом центре. Механизм работы каталитических центров включает ряд этапов. Фермент содержит три кооперативно функционирующих каталитических центра. Константа связывания субстратов (АДФ + Ф„) и продуктов реакции (АТФ) в каж.: дом центре изменяется в ответ на энергозависимые конформационные изме- !89 Трсонин-156 ! ~ ОН мк О ~ О О ! ! ! НО- Р— О ' Π— Р— Π— Р— Π— Алснозян ! ъс !О !" О.,О О Н Н 1ч ! Лизин-155 Рис.
3.39. Синтез АТФ в катал итичсском центре АТФ-синтазы на 11-субъелинице СР, (по Рога! ег а!., 2000, с изменениями) пения фермента. Изменения идут последовательно: первый этап — непрочное связывание АДФ и Ф„(1.-состояние), второй этап — прочное связывание субстратов с образованием АТФ и выделением НзО (Т-состояние), третий этап— энергозависимое освобождение прочносвязанной молекулы АТФ и свободная диссоциация АТФ (О-состояние) (см. рис. 2.3, гл. 2). Главными участниками в реакциях синтеза АТФ в каталитических центрах являются фосфатная группа АДФ, неорганический фосфат и ион магния, образующий координационную связь с одной из аминокислот каталитического центра (рис. 3.39).
В реакции синтеза АТФ !1-фосфат АДФ и неорганический фосфат образуют связь с аминогруппой лизина-!55, а также с магнием при участии треонина-156. В ходе катализа в результате конформационных изменений каталитического центра между !3-фосфатом молекулы АДФ и неорганическим фосфатом возникает фосфоэфирная связь и синтезируется молекула АТФ. Ангилридная связь при синтезе АТФ не требует специальных затрат энергии и образуется в результате резкого уменьшения константы равновесия реакции, обусловленного изменением микроокружения активного центра. Согласно теории Бойера, энергия дайн используется для конформационных преобразований структур каталитического центра АТФ-синтазы, в результате которых изменяются константы связывания нуклеотидов. Это завершается синтезом АТФ из АДФ и Ф„и освобождением молекулы АТФ из активною центра фермента.
3.8. МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕРОДА ПРИ ФОТОСИНТЕЗЕ Фиксация углерода углекислого газа и восстановление его до уровня органических соединений — заключительный этап фотосинтеза. Реакции ассимиляции углерода получили название танковых реакций 4отосинтеза. Однако в настоящее время установлено, что для их прохождения необходим свет, поэтому заключительный этап фотосинтеза принято сейчас называть метаболизмом углерода при фотосинтезе, или углеродныма циклами фотосинтеза. При ас- 190 симиляции углерода используются продукты световой стадии фотосинтеза— АТФ и НАДФН.
Фиксация углекислого газа из атмосферы и включение его в органические соединения у разных групп растений может происходить по-разному. В соответствии с механизмом первичных реакций фиксации углекислого газа и природой образующихся при этом первых стабильных продуктов различают: С,-путь фотосинтеза, С«-путь фотосинтеза и фотосинтез по типу толстянковых— САМ-фотосинтез (от сгаззц!асса асЫ тегаЬо!ып). Восстановление углерода углекислого газа до уровня углеводов практически у всех фотосинтезирующих организмов происходит по единому пути, называемому восстановительным иентозофосфатным циклом (ВПФ-цикл). ВПФ-цикл — основной путь ассимиляции углерода в растениях. 3.8.1.
Сз-ПУТЬ ФОТОСИНТЕЗА (ЦИКЛ КАЛЬВИНА, ВПФ-ЦИКЛ) С,-путь фотосинтеза был открыт в лаборатории М. Кальвина (1946 — 1956) при изучении фотосинтеза у одноклеточных зеленых водорослей с использованием меченого углерода и фосфора. Анализ динамики включения метки в органические соединения показал, что первыми органическими соединениями, содержащими меченый углерод, являются трехуглеродные соединения— 3-фосфоглицериновая кислота (3-ФГК) и 3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА) (отсюда название «Сз-путь фотосинтеза»). Позже метка обнаруживается в углеводах, содержащих от 4 до 7 атомов углерода. М.
Кальвину с сотр. удалось установить последовательность превращения углеводов в хлоропластах. На основании этого был открыт восстановительный пентозофосфатный цикл , углерода, названный в честь исследователей циклом Кальвина. Химизм цикла Кальвина. Выделяют три стадии ассимиляции углерода в цикле Кальвина: карбоксилирование, восстановление и регенерацию (рис. 3.40). Все ферменты, осуществляющие фиксацию углерода углекислого газа и его вос; становление до сахаров в цикле Кальвина, находятся в строме хлоропластов. 1. Стадия карбоксилирования.
Молекулы углекислого газа воздуха присоединяются к 5-углеродному сахару — рибулозо-1„5-бисфосфату (РуБФ). В результате карбоксилирования РуБФ образуется нестойкое 6-углеродное соединение, которое распадается на 2 молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК) (рис. 3.41). Реакцию карбоксилирования осуществляет ферментрибуло' юбисфосфаткарбоксилаза (РуБФ-карбоксилаза).
Фермент кроме карбоксилазяой активности может проявлять оксигеназную активность (см. ниже), поэто" ,му полное название фермента — рибулозобисфосфаткарбоксилазаоксигеназа ' (4.1.1.39), или сокращенно Рубиско. Рубиско высших растений и зеленых водорослей — один из наиболее ' высокомолекуляных белков на Земле: его молекулярная масса 560 кДа. Он со', стоит из 8 больших (1.) (55 кДа) и 8 малых (8) (15 кДа) субъединиц. Большие -' субъединицы кодируются геном хлоропластов (гЬс1), малые — ядерным геном -:, (гбао).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
