16943

Цикл Кальвина

Лекция

Биология и генетика

Цикл Кальвина. К шести пятиуглеродным сахарам присоединяются 6 молекул СО2 получается шесть нестабильных С6 соединений которые распадаются на 12 С3 соединений. Эта фаза – одна из основных в темновой фазе фотосинтеза т.е. фазе фиксации СО2 и здесь фактически происходит ка...

Русский

2013-06-28

86 KB

34 чел.

Цикл Кальвина.

К шести пяти-углеродным сахарам присоединяются 6 молекул СО2, получается шесть нестабильных С6 соединений, которые распадаются на 12 С3 соединений. Эта фаза – одна из основных в темновой фазе фотосинтеза, т.е. фазе фиксации СО2, и здесь фактически происходит карбоксилирование, т.е. самое главное – присоединение СО2. Это очень сложный на самом деле момент, здесь много тонкостей, много интересного, об этом мы будем говорить подробней потом.

Вот это С3 соединение – это фосфоглицериновая кислота (ФГК), вы знаете, что кислота – это одно из наиболее окисленных соединений, ее надо восстановить, и в этом вся задача цикла. Поэтому дальше эти 12 С3 соединений превращаются тоже в 12 С3 соединений, но только это уже будет не кислота, а альдегид – фосфоглицериновый альдегид (ФГА). Вот это самое главное, и вы уже понимаете, что на этом этапе должна затратиться та самая энергия, которая получилась в результате световой фазы фотосинтеза. Т.е. тут должно прийти из световой фазы 12 восстановленных молекул NADPH, они должны окислиться до NADP+, и уйти снова восстанавливаться световой фазой. Кроме того, сюда же нужно еще, мы потом посмотрим куда, 12 молекул АТФ, которые тоже идут от световой фазы. Итак, вот это самая главная энергетическая фаза, (а вот тут самая главная карбоксилирующая фаза - картинка) процесс восстановления кислоты до альдегида. Это фаза восстановления. Ну и дальше нам надо все это замкнуть в цикл. Поэтому 10 молекул ФГА превращаются обратно в исходные шесть молекул рибулезобисфосфата, здесь нужно еще 6 АТФ для того, чтобы регенерировать рибулезобисфосфат. Весь выход этого цикла – это две молекулы ФГА, которые потом превращаются в один С6 сахар, это будет фруктоза-1,6-дифосфат. Итак, вот таким образом замыкается этот цикл. Он назван по имени первых ученых, которые его открыли – цикл Кальвина – Бенсона, или восстановительный пентозофосфатный цикл. Любопытна энергетика этого цикла, интересно ее посчитать, можете заняться потом, цифры часто дают много интересной информации для размышления.

Итак, энергетика цикла. На восстановление одного 6-углеродного сахара, допустим глюкозы. Нужно фиксировать 6 СО2, для этого используются 12 NADPH и 18 АТФ. 1 молекула NADPH вы помните, это перепад порядка 1,1В, несет два электрона, одна NADPH дает энергию порядка 230 Кдж, одна АТФ – порядка 30 Кдж. Очень приблизительно, только для того, чтобы представить энергетику цикла. Если умножить соответственно на 12 и 18, то получается где-то в сумме 3300 Кдж. Если же окислить полностью одну молекулу глюкозы, то получается где-то, вы помните, 2800 Кдж. Т.е. получается, что энергия, необходимая для образования одной молекулы глюкозы – 3300 Кдж, а запасается в этой молекуле 2800 Кдж, т.е. 500 Кдж – потеря энергии. Казалось бы, энергия теряется в никуда, но это очень важные 500 Кдж, они необходимы для того, чтобы заставить цикл крутился именно в эту стороны. Потеря небольшая, эффективность запасания энергии здесь порядка 87%, очень хороший КПД. Но вот эти вот 500 Кдж идут на то, чтобы цикл крутился в нужную сторону.

Легко посчитать теперь и общую эффективность фотосинтеза. На окисление двух молекул воды идет 8 квантов света (4 – на ФСI, 4 – на ФСII), т.е. для того, чтобы зафиксировать одну молекулу СО2 нужно 8 квантов света, где-то вы помните, квант света, это 1,7 эВ, порядка 170 Кдж, если это умножить на 8 и умножить на 6, поскольку 6 молекул СО2 фиксируется, получится где-то порядка 8,5 тыс. Кдж. Т.е. для того, чтобы получить одну молекулу углевода, в которой запасется 2800 Кдж, нужно 8500 Кдж энергии света, чистого кванта света. Т.е. получается, что общая эффективность фотосинтеза чрезвычайно хороша – 33%.

Т.е., если посчитать от света, от энергии падающих квантов запасается в углеводах 33%, это очень большая эффективность, если считать, что нужно преобразование энергии, нужно 50% на стабилизацию, все равно получается все очень эффективно.

Итак, мы приблизительно разобрали общую схему. Теперь быстренько пробежимся по всем фазам цикла Кальвина.

I. Фаза карбоксилирования.

Исходно используется рибулезобисфосфат, но вообще-то обычно в клетке присутствует просто рибулезомонофосфат, если его карбоксилировать напрямую, то это будет эндэргоническая реакция, G будет положительная, и реакция не пойдет. Поэтому, прежде всего, нужно рибулезомонофосфат активировать. А активировать вы уже знаете каким образом. Тратится АТФ и получается дважды фосфорилированная молекула рибулозо-бисфосфат. И вот здесь получается очень здорово. Почему она активирована? Ну, понятно, что тут фосфаты сидят. Но обычно, когда у вас образуется пиранозная или фуранозная форма сахаров, цикл, то это достаточно устойчивая система. Помните, мы с вами рисовали сахарозу в фуранозной форме. Так вот эти два фосфата не позволяют рибулезе замкнуться в цикл, и отсюда получается достаточно напряженная молекула, а это значит, что она достаточно много энергии имеет. И когда карбоксилируется такая дважды фосфорилированная структура, G отрицательная, т.е. эта реакция выгодна. Поэтому вот та самая первая АТФ, которая тратится в цикле, помните, я вам говорил на стадии регенерации, вот она здесь. Для того чтобы образовать высокоэнергетическую систему рибулезодифосфат. Эта реакция катализируется фосфорибулокиназой. Это достаточно большой фермент, 240 кДа, с хорошим сродством к субстрату.

Дальше – самая главная стадия – карбоксилирование. Это делает уникальный фермент, называется он рибулезо-бисфосфат-карбоксилаза, по-английски пишется Rubisco. Почему? Ruэто рибулеза, bisэто бисфосфат. А вот coэто очень важно, с – это карбоксилаза, это понятно, а откуда о берется? Вот оказывается, что это самая большая проблема этого фермента и всего фотосинтеза, о – это оксигеназа. Оказывается, что этот фермент может присоединять не только углекислоту, но и кислород. И отсюда многие проблемы фотосинтеза.

Итак, Rubiscoэто рибулезо-бисфосфат-карбоксилаза/оксигеназа. Это вообще, конечно, уникальный фермент. Ну, начнем с того, что это самый распространенный фермент на всем земном шаре, 10 млн. тонн этого фермента находится на планете. Фантастическое количество. Это довольно большой фермент, его молекулярная масса порядка 560 кДа. Он состоит из 16 субъединиц, 8 – больших и 8 – малых. Его вид (картиночка), это что-то вроде правильного куба. Большие субъединицы располагаются по углам куба, а малые субъединицы располагаются (между?) большими. Получается достаточно геометрически правильная структура. Большие субъединицы весят порядка 55 кДа каждая, малые – порядка 15 кДа каждая. Что любопытно, фермент двойного кодирования. Большая субъединица L-субъединица кодируется в хлоропластах, а малая субъединица – в ядре. Очень любопытно, как они там синхронно синтезируются, поскольку очень важно согласовывать синтез. И вот этот замечательный фермент, очень большой, кодирует чрезвычайно простую реакцию. Уже известен его активный центр, как там распинается, фиксируется молекула рибулезо-бисфосфата. Что происходит? Рибулезобисфосфат в активном центре этого фермента переходит в еще более энергетически активную форму, нестабильную, ен-диольную форму (картинка). Здесь вот получается двойная связь, и вот по этой двойной связи и происходит присоединение СО2. Образуется еще один нестабильный продукт. Сюда присоединяется вода, (картинка, что куда присоединяется), и молекула распадается на две фосфоглицериновые кислоты (ФГК). Все это происходит на одном ферменте, и получается, что в результате карбоксилирования происходит образование двух молекул ФГК. На этом стадия карбоксилирования заканчивается.

Итак, тут сразу начинаются разные проблемы. Когда подсчитали константу Михаэлиса для этого здорового фермента. А что такое константа Михаэлиса вы помните, это фактически та концентрация субстрата, при которой фермент загружен на половину. Т.е. это половинная скорость реакции, она фактически показывает, насколько хорошо фермент вылавливает субстрат. Так вот оказалось, что Км порядка 15 –18 ммоль СО2, т.е. нужно где-то порядка 15 ммоль СО2 для того, чтобы фермент хорошо работал. И когда посчитали, какая же должна быть концентрация СО2 для того, чтобы фермент хорошо работал, оказалось, что должно быть около 6% СО2 для того, чтобы шло эффективное карбоксилирование. А в атмосфере у нас сколько СО2? 0,03% СО2. Получается парадокс – фермент работать не может. Тогда стали придумывать какие-то варианты закачивания СО2, оказалось, что такой механизм действительно есть, но все гораздо хитрее. Дело в том, что Rubisco очень древний фермент, он возник, когда концентрация СО2 на земле была около 2 – 3%. А потом в результате интенсивного оксигенного фотосинтеза количество СО2 уменьшалось, поскольку каждый год несколько миллиардов тонн биомассы фиксировалось, кислород выделялся, и сейчас получилось, что старый фермент работать не может. Что же делать? Либо менять фермент, либо как-то его модифицировать. Оказалось, что пошли по второму пути, чтобы фермент активно работал, нужна его активация. Т.е. к ферменту должна сначала присоединиться молекула СО2, но не в каталитический центр, а в регуляторный, но этого мало. После того, как образовался комплекс фермент-СО2 (E- СО2), нужно чтобы еще присоединился магний. И вот только этот комплекс работает эффективно, и его константа Михаэлиса поднимается на три порядка, т.е. в таком активированном комплексе она порядка 15 мкмоль. Пришлось придумывать” такую систему, как активировать фермент, чтобы вылавливать эти мизерные количества СО2, находящиеся в атмосфере. Т.е. понимаете, растения все время сидят на голодном пайке. Попробуйте выловить и зафиксировать сотые доли СО2 для того, чтобы получить огромное количество биомассы. Но это еще не все.  Итак, тут фермент работает только в активированном виде, только в таком случае он имеет достаточную Км для работы. И второе, мы к этому тоже потом вернемся, самое, пожалуй, неприятное для растений оказалось, что когда появилось очень много кислорода и стало мало СО2, оказалось, что фермент может использовать и кислород. Т.е. вот тут есть возможность присоединять прекрасно не только СО2, но и О2. Вот почему появилась оксигеназная функция фермента. И вот тут получается совсем плохо, если присоединять не СО2, а О2, то одна фосфоглицериновая кислота получится, а вот вторым продуктом реакции будет фосфогликолат. Т.е. никакого карбоксилирования не происходит, происходит просто развал молекулы на две кислоты – трехуглеродную и двухуглеродную. И потом оказывается, что из фосфогликолата после определенных метаболических превращений еще и выделяется СО2 в процессе фотодыхания, мы об этом еще будем говорить. Сродство к кислороду у фермента меньше, порядка милимолярных концентраций, но кислорода-то в атмосфере у нас не 0,03%, а существенно больше. И поэтому до 30% активности Rubisco может идти по этому пути. Поэтому фотодыхание – это еще одна проблема, с которой сталкивается темновая фаза фотосинтеза.

Итак, фермент оказался в реальной ситуации не очень оптимальным. С концентрацией СО2 разобрались, активировали фермент, и хорошо, а вот то, что он взаимодействует с кислородом – это не здорово.

И последний момент – долго думали, что использует фермент СО2 или НСО3-. Оказывается, что не карбонат-ион, а именно углекислый газ (СО2). С этими проблемами связаны те варианты, о которых мы будем еще говорить – С4 фотосинтез, САМ метаболизм. Все это только из-за того, что фермент древний и в реальной ситуации оказался не очень функциональным.

Итак, фаза карбоксилирования у нас закончилась тем, что мы имеем две молекулы ФГК. Дальше естественно нужно все это восстановить.

II. Фаза восстановления.

Фаза восстановления очень проста. У нас имеется ФКГ, ее надо так же активировать, поскольку процесс восстановления непростой. Тут нужна еще одна молекула АТФ, происходит фосфорилирование по этому карбоксилу, образуется дифосфоглицериновая кислота (ДФГК). Если вы уже проходили на биохимии гликолиз, то эта фаза с точностью до обратного повторяет стадию окисления фосфоглицеринового альдегида (ФГА) в гликолизе. Итак, образуется 1,3-ДФГК и вот тут очень большая проблема. Дело в том, что эта реакция страшно невыгодна энергетически, у нее G порядка +5 ккал, т.е. она должна вся сместиться в обратную сторону, а нам нужно, чтобы она была смещена в сторону образования 1,3-ДФГК. Это самый тонкий момент фазы восстановления цикла Кальвина, и он решается только за счет того, что у нас очень высокая концентрация субстрата, поскольку карбоксилирование постоянно поставляет ФГК, и очень высокая концентрация АТФ, который постоянно поступает из световой фазы фотосинтеза. Помните, мы говорили, что Go показывает только принципиальную возможность, а реальное G зависит еще и от концентраций. Поэтому вот здесь нужно создавать очень высокую концентрацию исходных продуктов для того, чтобы реакция была смещена в сторону образования ДФГК. Ну а дальше все просто, NADPH восстановленный в световой фазе фотосинтеза взаимодействует с этой ДФГК и образуется фосфоглицериновый альдегид. Вот этот вот фосфат, его энергия, плюс NADPH,  идет главным образом на образование ФГА. Итак, образуется восстановленный продукт. Фактически, самая главная задача решена, ФГА – это тот самый исходный восстановленный фрагмент для синтеза всех остальных сахаров. Единственное, что плохо, альдегиды – это не очень хорошие соединения, они очень реакционно способны, это и биохимики в гликолизе вам будут говорить, поэтому существует огромное количество NAD(P)-зависимых ФГА дегидрогеназ (для гликолиза). Поэтому дальше ФГА вступает в следующую фазу – фазу регенерации.

III. Фаза регенерации.

Вот это, в общем, представлена схема, которую я вам уже рисовал (картинка). Поскольку мы считаем на триозы, и считаем, что триозы у нас основной продукт, мы можем брать не 6 СО2, а три молекулы. И вот, что происходит: в фазе карбоксилирования к трем пятиуглеродным молекулам присоединяется СО2, получается шесть трехуглеродных фрагментов, проходит фаза восстановления, получается 6 ФГА. И вот дальше один ФГА – идет на образование сахаров, это выход (профит) цикла. А вот эти вот 5 трехуглеродных фрагментов должны быть превращены в 3 пятиуглеродных. И вот оказывается, что принцип очень простой – это соединение и перенос 2-углеродных фрагментов.

Сначала два трехуглеродных фрагмента (ФГА и его изомер фосфодиоксиацетон (ФДА)) соединяются, и образуется 6-углеродный фрагмент – фруктоза-бисфосфат. Вот он тут образовался, а дальше происходит перенос 2-углеродного фрагмента, фермент транскетолаза. Итак, от этого 6-углеродного соединения переносится 2-углеродный фрагмент на 3-углеродный, получается 3 + 2 = 5, т.е. первый 5-углеродный сахар образовался. Но если у нас от 6 отнимается 2, то получится 4, т.о. в результате переноса такого 2-углеродного фрагмента получается 5-углеродный сахар, который нам уже собственно и нужен, и 4-углеродный сахар эритрозо-4фосфат. Дальше – все то же самое, даже тот же самый фермент работает, только, если тут соединялись 3 и 3, то здесь соединяются 4-х и 3-углеродные фрагменты, получается 7-углеродный. Это седогептулоза. Дальше тот же самый фермент, который отгрызает 2-углеродные фрагменты, ему все равно от какого сахара отгрызать – от 6-углеродного, или от 7-углеродного. Опять он переносит 2-углеродный фрагмент на еще одну триозу, в результате получается 5 и 5. Так что принцип очень простой. И вот, в результате практически одинаковых реакций осуществляются эти преобразования. На самом деле, если вы занимались математическим моделированием, можете посмотреть – это оптимальный практически процесс. Если у вас задача из 5 трехуглеродных фрагментов сделать 3 пятиуглеродных, то получается, что эта система очень логична и экономна.

Это принцип, а теперь как это образуется реально, давайте мы сейчас это быстренько посмотрим.

Итак, мы имеем фосфоглицериновые альдегиды (ФГА), два из которых должны между собой соединяться, но просто так это им не удобно, поэтому один из них изомеризуется и превращается в дигидроксиацетонфосфат (ФДА или ДГАФ). И вот в таком варианте, это уже очень хорошая система для того, чтобы между собой соединяться. У нас ДГАФ и ФГА между собой соединяются, фермент, который делает это, называется альдолаза. Это альдольная конденсация. От двух слов аль – альдегид и ол – спирт, получается альдол-, все просто. Реакция достаточно выгодная, -5ккал. Фермент около 150 кДа, хорошая константа Михаэлиса, хорошее сродство к субстрату. Что интересно, когда происходит альдольная конденсация, вот тут вы видите – кислород, тут тоже кислород, происходит поворот гидроксила, и образуется 6-углеродный изомер. Образуется фруктозо-1,6-дифосфат, это первый 6-углеродный продукт.

Дальнейшим превращениям мешает вот этот верхний фосфат, его нужно убрать, это делает фермент фруктозо-бисфосфатаза. Это тоже довольно большой фермент, порядка 160 кДа, реакция достаточно выгодна, поскольку фосфат уходит, эти маленькие нюансы заставляют цикл идти именно в эту сторону (с этой точки зрения самый сложный момент цикла – фосфорилирование ФГК). Получается фруктозо-6-фосфат.

Дальше идет транскетолазная реакция. Фермент транскетолаза, переносит кето-фрагмент. Если фруктозо-6-фосфат взаимодействует с еще одним альдегидом (+ФГА), то переносится вот это 2-углеродный фрагмент. Тут тоже происходит поворот гидроксила. Образуется 5-углеродный фрагмент вот такой, практически один к одному рибулозо-5-фосфат, только с поворотом гидроксила, это вы помните, это издержки альдольной конденсации, получается ксилулозо-5-фосфат. Итак, вот этот самый первый 5-углеродный фрагмент мы уже получили. И остается 4-углеродный фрагмент эритрозо-4-фосфат.

Уже понятен дальнейший ход событий. К этому эритрозо-4-фосфату присоединяется еще один ДГАФ, происходит альдольная конденсация. Что самое любопытное – тот же самый фермент альдолаза, который соединяет уже 4-х и 3-углеродные фрагменты, получается 7-углеродный сахар седогептулозо-1,7-дифосфат. Помните, что при такой реакции происходит поворот. Если вы сопоставите этот 7-углеродный сахар с фруктозой-1,6-дифосфатом, то все одинаково только на один атом углерода длиннее.

Дальше будет работать еще одна фосфатаза – седогеплулозо-бисфосфатаза, потому что надо отгрызть лишний верхний фосфат. Получается седогептулозо-7-фосфат.

Дальше происходит абсолютно симметричная реакция, работает та же самая транскетолаза, переносит на ФГА 2-углеродный фрагмент, образуются в результате две пентозы. Получается ксилулозо-5-фосфат и рибозо-5-фосфат.

Итак, осталось совсем немножко – сделать из рибозы-5-фосфат рибулозо-5-фосфат, и из двух молекул ксилулозо-5-фосфата тоже две молекулы рибулозо-5-фосфата. Это работает рибозо-5-фосфат-изомераза и ксилулозо-5-фосфат-эпимераза. В результате получаются три молекулы рибулозо-5-фосфата.

Возвращаемся от биохимии к физиологии растений. Как все это регулируется? Понятно, что это достаточно сложная химическая кухня. Я напоминаю вам, что это все происходит в строме хлоропласта, практически все ферменты растворимы. Оказывается, что все это очень четко регулируется некоторыми параметрами, и, прежде всего, светом. Т.е. как минимум пять ферментов четко активируются светом. Это стадии образования бисфосфатов, две фосфатазы, и, безусловно, Rubisco. Как это происходит? Происходит это через уже знакомый вам белок тиоредоксин. Это маленький белок, где имеются SH-группы от цистеинов. Когда начинает работать ЭТЦ фотосинтеза, то помните, я говорил, что одним из основных продуктов является восстановленный ферредоксин. Ферредоксин восстанавливает SH-группы тиоредоксина, а восстановленный тиоредоксин уже восстанавливает вот эти пять ферментов цикла Кальвина. Т.е. оказывается, что цикл Кальвина четко блокирован в темноте, и начинает работать только тогда, когда включается световая фаза фотосинтеза. Это очень логично, ведь он не может работать без NADPH и АТФ, а эти продукты получаются в световой фазе. Поэтому получается очень четкая система активации ферментов тиоредоксином. Существует как минимум два тиоредоксина, тиоредоксин F как раз и активирует эти пять ферментов, есть тиоредоксин М (или N?), он активирует некоторые компоненты самой световой фазы фотосинтеза, т.е. (картинка) он восстанавливает SH-группы АТФазы, и таким образом запускает еще и фосфорилирование. Более того, тиредоксин М запускает еще и NADPH-зависимую малат-дегидрогеназу, но это уже отдельный разговор. Таким образом, есть еще белки, которые являются окислительно-восстановительными компонентами, но их назначение – регуляторное. Это типичный пример регулирования и достаточно четкой координации работы световой и темновой фаз фотосинтеза через активацию целого ряда ферментов системой ферредоксин-тиоредоксин.

Вынос продуктов фотосинтеза из хлоропласта.

Итак, мы с вами, т.е. не мы, конечно, а хлоропласты засинтезировали основные продукты фотосинтеза, получились трехуглеродные фрагменты – ФГА или ДГАФ. Это все происходит в хлоропласте, дальше возникает проблема – как этим всем обмениваться с клеткой и со всем организмом. Вы хорошо знаете, что внутренняя мембрана хлоропласта не так уж много пропускает соединений. Фруктоза, сахароза – не проникают через внутреннюю мембрану хлоропластов; рибоза, глюкоза, пентозо-монофосфаты, дикарбоновые кислоты практически не проникают; нейтральные АК – не проникают; СО2 и О2, маленькие неполярные молекулы, - проникают легко. Т.о. обмен газами не представляет проблемы. Оказывается, что из хлоропластов с помощью специальных транспортеров могут легко выходить только триозофосфаты. Транспортеры используют Н+, и происходит точный обмен: фосфат – внутрь, ДГАФ – наружу; вот это главный транспортер хлоропластов, ФГК тоже может таким образом выходить и входить в хлоропласты в обмен на фосфат. Так выносятся углеродные скелеты, а нам нужно еще выносить и восстановительный эквивалент, NADPH, и АТФ. Здесь работает чисто челночный механизм. В результате деятельности цикла Кальвина образуется ДГАФ, это более удобная молекула, чем ФГА, потому что ФГА более реакционноспособна. Т.о. ДГАФ – основной продукт фотосинтеза, который выносится из хлоропластов, и дальше идет на разные синтезы, мы потом посмотрим какие. Но если необходимо вынести АТФ и восстановительный эквивалент, происходит челнок: ДГАФ в цитоплазме изомеризуется в  ФГА, ФГА окисляется до ФГК, при этом образуется уже NADH (а не NADPH) и АТФ. Важно, что окисление происходит уже не в хлоропласте, а в цитоплазме, и дальше ФГК возвращается обратно в хлоропласт. Таким образом, вынося ДГАФ, мы одновременно выносим и углеродный скелет, и восстановительный эквивалент (NAD(P)H), и энергию (АТФ). Таким образом, работа этого челночного механизма позволяет достаточно хорошо обмениваться продуктами фотосинтеза между хлоропластом и клеткой.

Запасная и транспортная формы сахаров.

Триозофосфаты и фруктоза – это достаточно активные компоненты, которые не должны накапливаться в большом количестве. Действительно, в хлоропласте при очень интенсивной освещенности накапливается крахмал, который потом при необходимости может использоваться. Тогда как основным транспортным углеводом для растений является сахароза, которая перемещается по флоэме.

Синтез крахмала. (картинка) Фруктозо-6-фосфат это второй момент выхода из цикла Кальвина в хлоропласте на синтез крахмала. Фруктозо-6-фосфат изомеризуется в глюкозо-6-фосфат, затем получается глюкозо-1-фосфат, а это уже исходный компонент для синтеза крахмала. Что интересно, для того, чтобы синтезировался крахмал, нужно активировать глюкозу, нужно, чтобы к глюкозо-1-фосфату присоединился аденилат. Для этого АТФ взаимодействует с глюкозо-1-фосфатом, получается АДФ-глюкоза, из которой образуется крахмал. Это происходит в строме хлоропласта, а что происходит в цитоплазме?

Синтез сахарозы. Все то же самое, выносится ДГАФ, опять же изомеризуется и ФГА взаимодействует с ДГАФ, образуя фруктозу-1,6-дифосфат. Образуется все то же самое, правда ферменты слегка различаются. Дальше образуется фруктоза-6-фосфат, глюкоза-6-фосфат, глюкоза-1-фосфат, все точно так же, как в хлоропласте. Но дальше – одно маленькое, но принципиальное различие. Тут уже присоединяется не АДФ, а УДФ. Вам биохимики уже конечно говорили, что АТФ – это основная энергетическая валюта клетки, но есть еще и УТФ, и ГТФ, они тоже макроэрги, и это тоже один из вариантов регуляции биосинтезов. В данном случае образуется УДФ-глюкоза, и вот это форма является основной для синтеза сахарозы, в отличие от АДФ-глюкозы для крахмала. Это маленькое отличие выходов из цикла Кальвина  ведет к тому, что в хлоропласте запасается крахмал, а в цитоплазме синтезируется сахароза, которая уже потом транспортируется по всему растению для использования в разных процессах.

Итак, в результате мы разобрали принципиальную схему фотосинтеза, обсудив биохимию процессов. Вернемся к физиологическим проблемам, о которых мы говорили в начале.

Механизм концентрации СО2. Первая проблема – низкая концентрация СО2. Как это решается биохимически, мы уже знаем – активация Rubisco, т.е. СО2 – активатор, который садится в другой регуляторный центр, плюс магний, все для того, чтобы повысить достаточно константу Михаэлиса. Но этого к сожалению не достаточно. Почему? В таком виде Е(фермент)-СО2-Mg2+ константа Михаэлиса порядка 15 мкмоль, очень высокая константа. Все это было бы замечательно, если бы у вас фермент был здесь на воздухе, но СО2 надо еще проникнуть из внешней среды в клетку через плазмалемму, затем в хлоропласт еще через две мембраны. (картинка) Rubisco работает в строме, следовательно надо пройти несколько мембран, раствориться в цитоплазме, и нельзя считать, что в строме концентрация окажется такой, как во внешней среде, а фермент должен работать активно. Как сделать систему, чтобы Rubisco снабжалась СО2 достаточно эффективно, учитывая, что и во внешней среде его (СО2) количество мизерно? Оказывается, что такая система есть, и она очень красивая. Смотрите, рН цитоплазмы клетки около 7, если СО2 диффундирует через плазмалемму, то его концентрация в цитоплазме составит около 8 – 10 мкмоль (такая концентрация едва обеспечит половинную загрузку Rubisco). И это только в цитоплазме. Мы уже знаем, что Rubisco работает только с СО2, а не с НСО3-, но оказалось, что в цитоплазме нормальных растений очень высока активность фермента карбоангидразы, который катализирует очень простую реакцию: превращение СО2 в НСО3-. Это Zn-содержащий фермент, относительно небольшой, достаточно активный, делает, казалось бы, довольно странную реакцию, причем работает сам по себе. В чем тут дело? Оказывается, что при рН7 реакция, катализируемая карбоангидразой практически на 90% смещена в сторону образования НСО3-. Т.е. если тут было 10 мкмоль СО2, то концентрация НСО3- будет порядка 300 мкмоль, т.е. происходит фактически запасание СО2 в виде НСО3-. Но, к сожалению Rubisco с такой формой не работает и использовать ее не может. Для чего же это? Для обеспечения хорошей диффузии в СО2 цитоплазму, т.к. СО2 как бы все время убирается в форму НСО3-, и концентрация СО2 падает, что облегчает диффузию. СО2 переходит через мембраны в строму хлоропласта, те же самые 10 мкмоль, но какова рН стромы? На свету – около 8, (в темноте – 7) при этом сдвиг равновесия в сторону образования НСО3- больше, и такой формы накапливается около 400 мкмоль (это цифры приблизительные и зависят от температуры, но тут уже происходит концентрирование примерно в 40 раз). Но опять же НСО3- не может использовать Rubisco. Здесь находится Rubisco, все равно равновесие сдвинуто в сторону НСО3-, и те же 10 мкмоль СО2, т.е. все равно Rubisco может работать с половинной загрузкой, что в общем-то неплохо, так карбоангидраза в цитоплазме позволяет беспрепятственно иметь 10 мкмоль СО2 в строме хлоропласта, но хотелось бы больше. И вот тут по последним данным есть еще одна очень красивая система, и она не до конца, но почти доказана. Понимаете, НСО3- через мембрану само по себе не проходит, это заряженная молекула. Но дальше, если мы перенесем ее в тилакоид, какая рН внутри тилакоида? рН5 – кислая среда, в кислой среде равновесие СО2 – НСО3- уже чрезвычайно мощно сдвинуто в сторону образования СО2, а СО2 прекрасно проходит через мембрану тилакоида, поэтому в строме около тилакоида локальная концентрация СО2 должна быть уже гораздо выше. Поэтому все, что нужно сделать, это перенести НСО3- через мембрану тилакоида, и если есть такой переносчик, то здесь уже концентрация будет, по крайней мере, больше 200 мкмоль, и Rubisco будет загружена полностью. По последним данным получается, что есть специальная карбоангидраза, ее 2 – 3% от общей массы, которая не растворима, как основная фракция фермента, а связана с мембраной тилакоида, т.е. переход обратныйНСО3- СО2 катализируется именно этой карбоангидразой, Rubisco оказывается растворенный белок, но очень много ее ассоциировано именно с мембраной тилакоидов, и вроде как есть данные, что этот переносчик все же существует. Если так, то получается замечательно красивая картинка, – карбоангидраза растворимая позволяет 10 мкмолям СО2 дойти в строму и накопить НСО3- в строме (около 400 мкмоль), если эти 400 мкмоль накачиваются внутрь тилакоида, то при низких значениях рН практически 70% НСО3- переходит в СО2, и СО2 накапливается внутри тилакоида в достаточно высоких концентрациях, и, свободно выходя в строму, снабжает Rubisco. 50% белков стромы – это Rubisco. Итак, если будет показан этот переносчик, то таким образом можно эффективно накачивать СО2. Любопытно, что у С3 растений карбоангидраза на порядок активнее, чем у С4 растений, хотя казалось бы это очень странно. Итак, чисто биохимическими (активирование фермента) и чисто физиологическими путями (система карбоангидразы) растения справляются с низкой концентрацией СО2.

Фотодыхание. Остается проблема оксигеназной функции Rubisco. Если работает кислород, то не происходит карбоксилирования, а образуется двух - и трехуглеродная кислота. При нормальных условиях примерно 1/3 активности фермента идет на оксигеназную функцию, т.е. на 2 фиксированных СО2 приходится 1 присоединенный кислород. Оказывается, что кислород еще и конкурентно ингибирует карбоксилазную функцию фермента. Итак, кислород очень мешает фиксации углекислоты. Что происходит дальше? (картинка) Если идет присоединение кислорода, то образуется фосфогликолат, это я вам рисовал, а вот дальше оказывается, путь фосфогликолата очень специфичен. Давно было замечено, что в некоторых случаях происходит специфические ассоциации хлоропластов с другими органеллами. Вот, например (картинка) пероксисома – очень специфичная органелла клетки, которая ассоциирована с хлоропластом, а вот это митохондрия. И оказалось, что таких ассоциаций у С3 растений достаточно много. Когда стали разбираться с биохимией, оказалось, что биохимия тут довольно любопытна. Что тут происходит? Фосфогликолат теряет фосфат, гликолат из хлоропласта уходит в пероксисому, там он дальше окисляется с образованием перекиси водорода. Поэтому органелла называется пероксисомой, там очень велика активность каталазы и пероксидазы, перекись в результате распадается на воду и кислород. Когда гликолат окисляется, образуется глиоксилат (глиоксиловая кислота), т.е. вместо гидроксила образуется альдегид. Дальше сюда путем аминотрансферазной реакции от аминокислоты, обычно это аспартат, переходит аминогруппа  и образуется глицин, который дальше идет в митохондрию. В митохондрии из двух молекул глицина, которые между собой соединяются, образуется одна молекула серина, и выделяется СО2 и NH3. Т.е. мало того, что у нас не происходит карбоксилирования, у нас еще и одна молекула СО2 теряется. Серин возвращается обратно в пероксисому, теряет там свою аминогруппу, снова происходит переаминирование, образуется дегидропировиноградная кислота, все это возвращается через глицериновую кислоту обратно в хлоропласт, образуется одна молекула ФГК, которая идет в цикл Кальвина. Т.е. что получается: из двух гликолатов теряется одна СО2 и образуется одна ФГК, которая может вернуться обратно в цикл Кальвина. Получается, что фотодыхание само по себе плохо, потому что мало того, что не идет фиксация СО2, углекислота еще и тратится в этом процессе. Т.е. вот эта вся система, которая называется фотодыханием, ничего общего с нормальным дыханием не имеет, которое мы с вами разбирали. Оно названо дыханием только потому, что вот видите, поглощается кислород вот здесь (в световой фазе), и выделяется СО2. Только по этому называется фотодыхание, работает оксигеназная функция Rubisco. (картинка) Если фотодыхание будет преобладать над фиксацией СО2, то получается следующее: два гликолата, СО2 выделяется, одна триоза идет в цикл, и получается, что цикл работает в холостую. Это так называемая компенсационная точка. Сильно повышается сродство к кислороду при высоких температурах, т.е. когда повышается температура – соотношение 1 фиксированная молекула СО2/ 2 молекулы кислорода может быть вполне реально – и никакой фиксации не происходит – все, что зафиксировалось Rubisco, будет потеряно в фотодыхании. Т.о. все будет работать впустую и фотодыхание – это еще и растрата углекислоты. Как растения выходят из такой ситуации, мы будем обсуждать в следующий раз.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72304. Выявление резервов роста прибыли, и разработка предложений по увеличению прибыли на перспективу 336 KB
  Методика анализа прибыли и рентабельности Введение В условиях рыночной экономики получение прибыли является непосредственной целью предприятия. Это связано с тем что для предприятий несущих полную материальную ответственность за результаты своей торгово-хозяйственной деятельности основной целью...
72305. Правовые нормы, направленные на борьбу с захватом заложников 478.5 KB
  Цель исследования – выявление социально-юридической сущности захвата заложников и наказания за данное преступление как в России, так и за рубежом. Достижение цели исследования осуществляется постановкой и реализацией следующих задач: определение особенностей объективных и субъективных признаков...
72306. Технология производства бетонных строительных конструкций методом трехмерной печати 17.16 MB
  Конструкции выполненные по монолитной технологии практически не имеют швов следствием чего является отсутствие проблем со стыками и с их герметизацией а также повышение теплотехнических и изоляционных свойств. В зданиях подобной конструкции пространство между элементами деревянного...
72308. Автоматизация видеорегистрации разговорных выступлений 124.94 KB
  Целью дипломного проекта является разработка устройства для автоматизации видеорегистрации разговорных выступлений для уменьшения затрат при записи и трансляции мероприятий. Идея автоматизации видеорегистрации разговорных выступлений свести к минимуму или вовсе избавиться от трудовых затрат...
72309. Бухгалтерский и налоговый учет амортизации основных средств в организации (ООО «Мекбар») 100 KB
  Целью настоящей дипломной работы является изучение амортизации основных средств. Для достижения обозначенной цели необходимо поставить ряд задач дипломной работы: изучение понятия, состава и роли основных средств в организации; рассмотрение амортизации основных средств...