И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Сборка белка проходит в хлоропластах с участием «белка-няньки» (бе; лок 60 кДа), который кодируется в ядре. Поэтому для сборки функционально ':; активного фермента в хлоропластах необходима согласованная работа двух геномов. 191 Р фИ а о о-и — и з ххх ~ й ь% БД Д=~ й хххх б! оех хО~ "оооо 1дО 1 1 оо Π— О-ц фц 9 о оР ® хх® о ооооо К 1 11 1 1 1 и — !.!-и — о — и О х х х о М х хО~~ ооооо~ 1 11 1 1 1 О-О-Π†!! — и ~ х х х" 3 Фосфогликалат Н2С вЂ” ОРО, ! О ' СОО- О2 Гликолат НС вЂ” ОН~ 2 СОО ~= Ф-о.-ни СОО М 2 1 ма НС вЂ” ОН Н2С-ОРО2 С=О 1 НС-ОН НС вЂ” ОН Н2С вЂ” ОР02 1 Н С вЂ” ОРО2 Фотосинтез и СОО 1 НС вЂ” ОН Н2С вЂ” ОРО, 1 3-ФГК 24 СО Харааааиааза Рис. 3.41.
Основныс функции РуБФ-карбоксилазы-оксигеназы 7 аю иннгин рисанна !93 Каталитический центр фермента формируют аминокислотные остатки С- и И-концов полипептидов двух больших соседних субъединиц. Таким образом, функционально активной структурной единицей фермента является димер больших субъединиц. В Рубиско высших растений имеется 8 каталитических центров, сформированных 8 большими субъединицами. Малые субъединицы играют регуляторную роль, влияя на каталитическую активность больших субьединиц фермента. Субстратом карбоксилазной активности фермента является СО2.
Присоединение молекулы углекислого газа требует ионов М8 '. Оптимум рН реакции карбоксилирования около 8,0. Оксигеназная активность Рубиско заключается в окислении РуБФ путем включении в сахар кислорода. В результате образуются 3-ФГК и фосфогликолат (см. рис. 3.41). Эта реакция лежит в основе процесса фотодыхания (см. далее), снижающего синтез углеводов при фотосинтезе. Карбоксилазная и оксигеназная реакции связаны с работой одних и тех же хаталитических центров фермента, вследствие чего существует конкуренция между кислородом и углекислым газом за каталитический центр. При обычном содержании кислорода и углекислого газа в воздухе в среднем на три реакции харбоксилирования приходится одна реакция оксигенирования.
Увеличение относительного содержания углекислого газа способствует карбоксилазной активности фермента. Рубиско является ключевым ферментом цикла Кальвина, поэтому регуляция его активности — важнейший фактор регуляции цикла Кальвина в целом (см. ниже). 2. Стадия восстановления. Восстановление 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК) до 3-фосфоглицеринового альдегида (3-ФГА) — вторая стадия цикла Кальвина. Она осуществляется в два этапа. На первом этапе происходит фосфорилирование 3-ФГК и образование 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты.
Реакцию осуществляет фермент фосфоглицерокиназа (ЕС 2.4.2.3) при использовании АТФ. На втором этапе при участии НАДФН и фермента глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы (ЕС 1.2.1.! 3) идет восстановление 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты до 3-ФГА. В сталин восстановления достигается юосстановленность углерода до уровня углеводов. 3-ФГА и его изомер дигид- роксиацетонфосфат (ДГАФ), в который он легко превращается под действием фермента 3-ФГА-изомеразы (ЕС 5.3.1.1), являются первыми моносахарами, образующимися при фотосинтезе в ходе цикла Кальвина. Молекулы 3-ФГА (или его изомера ДГАФ) могут быть использованы для регенерации РуБФ вЂ” акцептора углекислого газа и экспортированы из хлоропластов в цитоплазму.
В цитоплазме автотрофной клетки из триоз синтезируются гексозы (глюкоза и фруктоза) и дисахарид сахароза — главная транспортная форма углеводов в растении. 3. Стадия регенерации. На этой стадии происходит регенерация акцептора углекислого газа РуБФ. В ходе реакций образуются различные углеводы с числом углеродных атомов 4, 5, 6 и 7. Чтобы проследить весь цикл преобразования углеродных скелетов в цикле Кальвина„необходимо представить фиксацию как минимум трех молекул СОз с использованием трех молекул рибулозо-1,5-бисфосфата.
В этом случае после сзадии карбоксилирования получаются 6 молекул З-ФГК, а после их восстановления — 6 молекул 3-ФГА. При этом используются 6 молекул АТФ и 6 молекул НАДФН. Пять молекул 3-ФГА используются для регенерации трех молекул РуБФ, а шестая молекула 3-ФГА может быть выведена из цикла и транспортирована в цитоплазму автотрофной клетки. В реакциях регенерации РуБФ одна молекула 3-ФГА взаимодействует с ДГАФ с образованием фруктозо-1,6-бисфосфата (фермент фруктозобисфосфатальдолаза, 4.1.2.7), который дефосфорилируется с образованием фруктозо-6-фосфата (фермент фруктозобисфосфатаза, 3.1.3.11).
Последний взаимодействует с 3-ФГА с образованием ксилулозо-5-фосфата и эритрозо-4-фосфата (фермент транскетолаза, активный только в присутствии тиаминпирофосфата — ТПФ). Эритрозо-4-фосфат реагирует с ДГАФ, образуя седогептулозо-1,7-бисфосфат (фермент альдолаза), который затем дефосфорилируется до седогептулозо-7- фосфата (фермент седогептулозобисфосфатаза), который далее взаимодействует с 3-ФГА с образованием 'ксилулозо-5-фосфата и рибозо-5-фосфата (фермент транскетолаза).
Две молекулы ксилулозо-5-фосфата подвергаются эпимеризации по третьему атому углерода (фермент эпимераза) и превращаются в 2 молекулы рибулозо-5-фосфата. Рибоза-5-фосфат изомеризуется также в рибулозо- 5-фосфат (фермент рибозофосфатизомераза). Таким образом, в ходе трансальдолазных и транскетолазных реакций углеродные скелеты перестраиваются и в результате образуется 3 молекулы рибулозо-5-фосфата. Заключительная стадия регенерации акцептора углекислого газа — фосфорилирование трех молекул рибулозо-5-фосфата с образованием трех молекул рибулозо-1,5-бисфосфата. Реакцию катализирует фермент фосфорибулокиназа (2.7.1.! 9).
При этом используются 3 молекулы АТФ. В итоге вновь образуются 3 молекулы РуБФ. Триоза, не использованная для регенерации РуБФ, является продуктом фотосинтеза, который может пойти на синтез гексоз и более высокомолекулярных углеводов как в самом хлоропласте, так и в цитоплазме автотрофной клетки. Итак„фиксация трех молекул СОг и синтез одной молекулы триозы в цикле Кальвина потребовали 6 молекул НАДФН и 9 молекул АТФ, т.е.
для ассимиляции одной молекулы углекислого газа по С~-пути фотосинтеза необходимо 2 молекулы НАДФН и 3 молекулы АТФ. Регуляция цикла Кальвина. Система регуляции цикла Кальвина сложно организована и включает метаболический, энергетический и генетический контроль. В основе регуляции лежит возможность изменения направления и !94 скорости протекания биохимических реакций цикла. Это реализуется, во-первых, за счет изменения каталитической активности ферментов, а во-вторых, за счет влияния метаболитов и коферментов на протекающие процессы по принципу действия масс. Транспорт метаболитов из хлоропластов становится при этом важнейшим фактором регуляции метаболизма углерода.
Регулируемыми, как правило, являются ферменты, катализирующие «необратимые» реакции, т.е. реакции, в ходе которых имеет место значительный отрицательный перепад свободной энергии. В цикле Кальвина «необратимыми» являются 4 реакции: 1) карбоксилирование, катализируемое Рубиско (РуБФ вЂ” 3-ФГК, Лб' =-4! кДж); 2 и 3) две реакции, связанные с работой фосфатаз — фруктозо-1,6-бисфосфатазы (ФБФ вЂ” Ф6Ф, Л!7' = — 27„2 кДж) и седогептулозо-1,7-бисфосфатазы (СБФ вЂ” С7Ф, Л0' = — 29 кДж); 4) фосфорилирование Ру5Ф, катализируемое фосфорибулокиназой (Ру5Ф вЂ” РуБФ, ЬС' = =-! 5,9 кДж).
Кроме того, две реакции восстановительной стадии, катализируемые ФГК-киназой и трифосфатдегидрогеназой (ФГК вЂ” 1,3-ДФГК вЂ” ФГА) при суммарной небольшой потере энергии в значительной степени подвержены действию метаболитов и зависят от действия масс. Концентрации АДФ„ АТФ и ФГК оказывают значительное влияние на прохождение первой из этих реакций и определяют направление ее протекания. Важной особенностью «регулируемых» ферментов цикла Кальвина является зависимость их активности от света.
По крайней мере 5 ферментов цикла Кальвина активируются светом: рибулозобисфосфаткарбоксилаза, триозофосфатдегидрогеназа, фруктозобисфосфатаза, седогептулозобисфосфатаза и фосфорибулокиназа. Контроль реакций цикла Кальвина светом включает ряд механизмов: 1) световые реакции фотосинтеза обеспечивают синтез АТФ и НАДФН— соединений, непосредственно используемых в цикле Кальвина; 2) создание на свету в строме хлоропластов оптимальных для активности ряда ферментов цикла Кальвина условий рН и концентрации ионов Мя 3) светозависимая ковалентная модификация ферментов цикла Кальвина через систему тиоредоксина (см. рис.
3.! ). Своеобразная ковалентная и конформационная модификация светом происходят в Рубиско: 1) на свету благодаря повышению концентрации магния в строме облегчается присоединение молекулы СОз и магния к регуляторному центру Рубиско; карбамилизация фермента необходима для проявления его карбоксилазной активности; 2) свет вызывает присоединение к Рубиско низколюлекулярного белка-ре!улятора активазы, который вытесняет из каталитического центра Рубиско рибулозо-1,5-бисфосфат и его изомер ксилулозо-1,5-бисфосфат, прочно связанные с каталитическим центром фермента в темноте и препятствующие присоединению к нему молекул углекислого газа и магния в отсутствие света. Таким образом, световая активация цикла Кальвина включает ряд механизмов, изменяющих каталитическую активность ферментов.
Одни из них связаны с ковачентными модификациями ферментов за счет восстановления дисульфидных связей или карбамилизации аминогрупп, другие — вызывают нековалентные, конформационные изменения ферментов, обусловленные присоединением метаболитов или созданием оптимальных условий для активности 195 ферментов. Помимо этого свет контролирует содержание ферментов цикла Кальвина на генетическом уровне, Установлено, что сает активирует экспрес- сию генов малой субъединицы РуБФ-карбоксилаз-оксигеназы через фоторе- цепторы красного и синего света (см.
гл. 7). 3.8.2. С«-ПУТЬ ФОТОСИНТЕЗА (ЦИКП ХЭТЧА — СЛЭКА — КАРПИПОВА) Рис. 3.42. Анатомия листа у С«-растений 196 С«-путь фотосинтеза был впервые обнаружен у двух тропических злаков— кукурузы и тростника. В работах Ю.С.Карпилова (1965), М.Хэтча и К.Слэка (1966) с использованиел1 меченого углерода ('4СОз) было показано, что первыми продуктами фотосинтеза у этих растений являются органические кислоты щавелевоуксусная и яблочная — соединения, содержащие 4 атома углерода (отсюда название «С«-путь фотосинтеза«). Позже метка обнаруживалась в фосфоглицериновой кислоте и фосфоглицериновом альдегиде. Анализ динамики включения метки в продукты фотосинтеза позволил определить последовательность происходящих реакций и выявить цикл превращения углерода, отличный от цикла Кальвина, названный впоследствии циклом Хэтча — Слэка.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
