С.С. Медведев - Физиология растений (DJVU) (1134223), страница 12
Текст из файла (страница 12)
В этих условиях после добавления в среду АВР и Р„в темноте сивтезировалась АТР. Эти эксперименты являются хорошим подтверждевиеле применимости хемиосмотической теории Митчелла для объяснения процессов, происходящих при фотофосфорплироваиии в хлоропластах. Граны хлоропластов (рйв) АОР+ Рн Рис. 2.14. Схема экспериментов Ятендорфа (Лавепдотб 1967).
Строение и фуикциоиироваиие АТР-сиитазного комплекса. Синтез АТР при фосфорилироваиьче осуществгиет АТР-сиигаага (АТРаза), или сопрягающий фактор (рис. 2.16). Этот фермент с молекулярной массой около 400 кДа состоит из 2 крупных частей: гидрофобиой, расположенной в тилакоилиой мембране (СРо), и гидрофильиой, находящейся в строме (СРт). Протоны проходят через канал, формируемый белками, входящими в состав (СРо), попадают в колпшекс белков СР„где процесс транспорта иоиов Н+ сопрягается с процессом фосфорилироваиия АВР и образования АТР. В СРд-комплекс входит б типов полипептидов: ф (три), о (три), 7 (один), Б (одии) и г (одии). Каталитический центр располагаегся ва 17-субъедивицах. Другие пептиды выполняют обслуживающие функции.
В СРо-комплекс входит 4 типа пептидов (а, !э, !з' и с1г). н+ Сро По.ЮСГЕ НЫЕХОИти Н+ Рис. 2,15. Строение АТР-синтезы хлороилестов (ноуеь 1997). АТР-синтаза играет ключевую роль в процессах трансформации световой энергии в хлоропластах и запасания ее в форме макроэргической связи АТР. Для объяснения механизма функционирования АТР-синтазного комплекса лучше всего подходит гипотеза, предложенная Полем Бойером (Р. П. Воуег, 1993 г.). Наиболее принципиальным моментом этой гипотезы является энергозависимое высвобождение АТР от фермента. Предполагается, что в ходе катализа у-субъединица работает как стержень-эксцентрик, который попеременно вращается то против 17-, то против и-субъсдиниц.
Энергия конформационных изменений трансформируется в энергию фосфатной связи АТР. Процесс синтеза АТР условно разделяют на три этапа. На первом этапе происходит присоединение АОР и Р„к активному центру фермента без затраты энергии. На втором этапе иовы Н+, перемещаясь по протонному каналу по градиенту электрохимического потенциала, вызывают конформационные изменения фермента, в результате чего из АПР и Р„синтезируется АТР. В течение третьего этапа за счет энергии, выделяющейся при транспорте протонов, происходит высвобождение АТР и возврат АТР- синтазного комплекса в исходное состояние.
Более подробно механизм работы АТР- синтазного комплекса будет изложен в разделе 3.9. 2.5. ПУТИ СВЯЗЫВАЕ1ИЯ УГЛЕКИСЛОТЫ (темновые реакции фотосинтеза) В предыдущих разделах мы выяснили, что провуктами световых реакций фотосинтеза являются АТР и 1зА1ЭРН. Далее происходят темновые процессы фиксации СО2, в которых используется «ассимилиционная сила> молекул АТР и 1хАПРН.
В этом разделе мы рассмотрим реакции, связанные с восстановлением СО2 до углеводов, Эксперименты по выяснению путей фиксации углекислоты при фотосинтезе удалось пронести группе американских ученых во главе с Мелвином Кальвином (М. СаЬш) благодари трем обстоятельствам. Во-первых„в 1940 г. американскими биохимиками Сэмюэлем Рубеном (Б. Нибеп) и Мартином Каменом (М. П. Кашен) был получен долгоживущий изотоп углерода 14С с периодом полураспада 5770 лет. Во-вторых, в 1944 г. два ан- 64 глийских биохимика Арчер Мартин (А.
Мэ4тш) и Ричард Синг (В. дунйе) разработали метод двумерной хроматографии на бумаге, который позволял эффективно разделять и идентифицировать органические соединения (за это изобретение в 1952 г. онн были удостоены Нобелевской премии по химии). И, наконец, к этому времени в руках исследователей оказался еще один очень удобный метод — авторадиография.
2.5.1. Сз-путь фотосинтеза (цикл Кальвина) Американские биохимики Дж. Бассам, Э. Бенсон и М. Кальвин (Я. ВаззЬа1п, А. Вепеоп, М. Са1ч1п) для выяснения пути связывания СОз при фотосинтезе использовали одноклеточные зеленые водоросли Сл(оге(1а и осепе11езтиз. Водоросли на определенное время помещали в среду, содержащую 14СОз, затем клетки быстро фиксировали, экстрагировали из них различные соединения, разделяли их хроматографически и прослеживали включение радиоактивной метки. Оказалось, что через 1 мин 14С включается в Сз--Ст-сахара, фосфосахара, органические кислоты (яблочную, щавелевоуксусную, фосфоенолпировиноградную) и аминокислоты (алании, аспарвгиновую).
Если же время экспозиции уменьшить до 0,1 — 2,0 с, то большая часть метки оказывается в фосфоглицериновой кислоте (ФГК), в ее карбоксильной группе; (г1ОНзС вЂ” СНОН— 14СООН Следовательно, первичным продуктом фиксации СОз при фотосинтезе является ФГК. Поэтому такой способ связывания углекислоты называли Сз-пуп1ам фотосинтеза.
Далее стали выяснять, что же является первичным акцептором углекислоты. Вначале в среду с хлореллой вводили различные Сз-соединения, но это не приводило к увеличению включения 14С в.ФГК. Тогда схема опыта была изменена: сначала вводили 1% СОш а затем резко снижали содержание углекислоты до 0,003%.
Предполагалось, что при этом будет накапливаться именно то соединение„которое является первичным акцептором СОз. Оказалось, что в клетках резко увеличивается содержание рибулозо- 1,5-бисфосфата (РуБФ), который, вероятно, и является первичным акцептором углекислоты. Справедливость этого предположения была подтверждена в экспериментах с использованием меченого по ~зР РуБФ. Если клеткам хлореллы давать з~Р— -РуБФ, то метка обнаруживается в составе фосфоглицериновой кислоты: ззР РуБФ ь СО ззР Ф1.К Следовательно, первичным акцептором углекислоты является 5-углеродный сахар — рибулозобисфосфат (РуБФ). Помимо этих экспериментов, определяли положение 14С в молекулах других мечевых соединений, что позволяло выяснить подробности их взаимопревращений.
В итоге работы, которая длилась с 1946 по 1956 гг., была расшифрована последовательность реакций, в ходе которых СОз превращается в углевощ4. Исследования проводились большой группой ученых во главе с М. Кальвином и А. Венсоном из университета Беркли (Калифорния). Поэтому этот процесс часто называют циклом Кальвина, или циклом Бенсона-Кальвина. За эту работу Мелвину Кальвину в 1961 г.
была присуждена Нобелевская премия по химии. В настоящее время фиксацию СОз и восстановление ее до углеводов рассматривают квк процесс, состоящий из четырех стадий (рис. 2.16). 1. Стадия карбоксилирования. На этой стадии происходит присоединение СОз к диенольной форме рибулозобисфосфата (РуБФ) и образование двух молекул фосфоглицериновой кислоты. 55 зсо.
6НАОРН СРЗ,О® 6 (.) ~нон оо® и а СИЗО® 1 сион (~о 'н З.йюсфоглат- ЕЙ СНЗО(Р) ( СНЗОН ~0 сн,о® фосфеглаасра° мй азьйгглй Н сн,о® о СНОН И н,о® нон 1 снон сн,о® райан З.фесф:к Зфесфоглаагра- ввмй спасена сн,о® САХАРА .в — — — — СИОН ( )зго 'н З.ф фог ссра- келий ааьйаал Рис. 2.15. Сз-путь г)кппеиитаза (цикл Кальвина). Феръгеггсьгг 1 — рибрлоэо-5-4о 4а пкиназа; 2 — рибрлоэо-!,б-би 4о фот арбоксг аза/оксгвенгьза (РУБИСКО);  — фосфоглицератхимаэаг 1 — КАОР-глинерельдезид-В Яос4гппдеаидроаеназаб 5 — триоэо4осфапн эомсрозаг 6 — альдо газа; '1 — фрйхтоэо-1,6.6 с4о фатбккфагпаэаг  — транскепмюаэаг 9— альдолазар 10 — седозюгтрлоэо-р,т-бисфосфатфоефатозар 11 — гпранскетолгта; 15 — рибозо-5-4ос4атизо.мераэар 15 — рибрлозо-5-фо фатзпимерааа.
Листья таких растений, как сахарный тростник, кукуруза, сорго, амарант и многих других видов, способны фиксировать СОг не только в реакциях цикла Кальвина, но и другим путем, в ходе которого появляются С4-кислоты — щавелевоуксусная, яблочная и аспарагиновая. Такой способ связывания углекислоты получил название С4-пути фотосинтеза. Его осуществляют многие виды Сгапппеае, некоторые виды Сурегасеае, а также некоторые представители семейств двудольных растений А1эоасеае, Ап1агэл1Ьэсеае, Аэгегасеае, СЬепоробйасеае, ЕирЬогЬ1асеае, Нус$а81пасеае, Рог1и1асасеае, ЕуйорЬу11асеае.
Впервые возможность связывания углекислоты у растений в Сл-кислотах была продемонстрирована в 1956- 1957 гг. Л. А. Незговоровой. Ей удалось показать включение '~СОг в аспарагиновую кислоту и образование ыС-аспартата. В исследованиях Г. П. Корчака (Н. Р. КогЬсЬаск) с коллегами в 1965 г. было обнаружено, что после инкубации в атмосфере с ыСОз на свету в листьях сахарного тростника до 70-80% метки включается в малат и аспартат. Почти одновременно сходные результаты на листьях кукурузы были получены Ю. С.
Карпнловым с сотр. Как новый тип фиксации СОг, отличный от Сз-пути, С4-путь фотосинтеза впервые описали австралийцы М.Д. Хетч (М. П. НаСсЬ) и К. Р. Слэк (С. В.. 81ас1с) в 1966 г. Поэтому нередко этот способ связывания углекислоты называют путем Хетча и Слака. Для листьев Сл-растений характерно анатомическое строение краиц-типа (от нем.
Кгапя — венец, корона), впервые описанное в 1884 г. немецким ботаником Готлибом Габерландтом (С. НаЬег!апЖ). Проводящие пучки у таких растений окружены двумя слоями зеленых клеток ассимиляционной паренхимы. Внешний слой образуют клетки мезо4иллгь а внутренний слой составляют клетки об ладка сосудистого пучка Эта реакция катализируется ферментом рибулозобис4осфаткарбоксилагой/оксигеиагой, сокращенно называемой РУБИСКО (г1Ьп1оэе ЬЬрЬозрЬасе сагЬоху1азе/охуйепаэе — гпЬ1всо). 2. Стадия восстановления ФГК. На этой стадии 3-фосфоглицериновая кислота восстанавливается до 3-фосфоглицеринового альдегнда.
Этот процесс идет в два этапа. Вначале под действием фермента фосфоглицераткиназы к 3-ФГК присоединяется еще одна фосфатная группа от молекулы АТР и образуется 1,3-бисфосфоглице- 1( риновая кислота (1,3-ФГК). На втором этапе происходит восстановление 1,3-ФГК в 3-фосфоглицериновый альдегид за счет ЖАВРН. Этот процесс катализируется ферментом триоэорооратдегидрогеиагой. 3. Стадия регенерации РуБФ.
Происходит с участием фосфатов трех-, четырех-, пяти-, шести- и семиуглеродных сахаров. В результате процессов альдольной кондепсации, катализируемых соответствующими альдолазами, и транскетолазных реакций иэ 5 молекул 3-углеродных сахаров образуются 3 молекулы 5-углеродных сахаров, которые превращаются в Р>БФ. 4. Стадия синтеза углеводных продуктов фотосинтеза. На этом этапе из фосфоглицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона под действием альдолазы синтезируется фруктозо-1,6-бисфосфат, который затем может превращаться илн в крахмал, или в сахарозу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
