Физиология растений. Лекция 3 презентация

Фотосинтетическое фосфорилирование (ФФ)
ФФ – это синтез молекулы АТФ за счет энергии трансмембранного потенциала (ΔμН+) тилакоидной мембраны.
ΔμН+
АДФ + Фн АТФ + Н2О

Типы фотофосфорилирования
Нециклическое фотофосфорилирование.
2АДФ + Фн + 2НАДФ+ + 2 Н2О 2АТФ + + О2 + 2НАДФН
Осуществляют фотосистемы ФСI и ФСII.
2. Циклическое фотофосфорилирование
АДФ + Фн АТФ + Н2О
Осуществляет ФСI.

Механизм фотосинтетического фосфорилирования

Хемио-осмотическая гипотеза (Митчелл, Ягендорф)

Структура АТФ-синтазы

Биохимия фотосинтеза
Сущность темновой фазы фотосинтеза заключается в трансформации макроэргической связи АТФ и НАДФН в стабильную форму энергии – органическую связь.
СО2 + АТФ + НАДФН
[СН2О] + АДФ + Фн + НАДФ

Цикл Кальвина
В 1957 году Кальвин предложил биохимический механизм превращения СО2 в фосфоглицериновый альдегид (ФГА).
1 сек
*СО2 СН2ОН-СНОН-*СООН
ФГК
Это С3-путь или восстановительный пентозофосфатный путь (ВПФП).

Методы Кальвина
В лаборатории Кальвина, Басхэма и Бенсона впервые использовали методы:
1. Для фотосинтеза использовали *СО2 с радиоактивным углеродом – С14.
2. Фиксация растительного образца кипящим этиловым спиртом.
3. Бумажная хроматография.
4. Радиоавтография, необходимая для идентификации изотопных молекул.
5. Фотостатированная камера (фитотрон).

Цикл Кальвина
Включение СО2 в цикл
1) Активирование первичного акцептора
(рибулозомонофосфат)
РМФ + АТФ → РБФ + АДФ
РБФ – рибулозо-1,5-бисфосфат

2). Карбоксилирование рибулозобисфосфата

Свойства рибулозобисфосфаткарбоксилазы
РБФ-карбоксилаза (Rubisco)
КФ 4.1.1.39 – самый распространенный белок биосферы:
а) 50% от общего количества белков в хлоропласте;
б) 70% составляют растительные белки в биосфере;
в) 20% всех белков биосферы являются РБФ-карбоксилазой, т.е. каждый пятый белок в природе это Rubisco.

Свойства Rubisco
2. Фермент двойного кодирования.
Rubisco имеет молекулярную массу 550 кДа. Состоит из 8 больших (L) c Mr 51-58 кДа
и 8 малых (S) с Mr 12-18 кДа.
Формула комплекса L8-S8.
Большие субъединицы кодируются хлоропластной ДНК (rbcL), малые ядерные ДНК (rbcS).

Свойства Rubisco
Сборка белка происходит в хлоропластах при участии белка шаперона (Hsc60), который кодируется в ядре. Для сборки функционально активного фермента необходима четкая регуляция работы двух геномов (ядерного и хлоропластного).
Каталитический центр фермента формируют аминокислотные остатки C- и N-концов полипептидов двух больших субъединиц. У Rubisco высших растений имеется 8 каталитических центров.

Свойства Rubisco
Димеры больших субъединиц каталитически активны и в отсутствие малых субъединиц. Малые субъединицы играют регуляторную роль.
3. Бифункциональность РБФ-карбоксилазы. Фермент катализирует карбоксилазную активность (функционирование ВПФП) и оксигеназную (функционирование фотодыхательного метаболизма).

Рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза

II. Фаза восстановления
Осуществляется с помощью двух реакций:
А) активирование 3ФГК:
3ФГК + АТФ → 1,3ФГК + АДФ (фермент киназа)
Б) восстановление ФГК до ФГА
1,3ФГК + НАДФН → ФГА + НАДФ+
(фермент глицероальдегиддегидрогеназа)

III. Регенерация первичного акцептора
Общее уравнение образования ФГА
3 РМФ + 9 АТФ + 6 НАДФН + 3 СО2 →
6 ФГА + 9 АДФ + 9 Фн + 6 НАДФ
5 ФГА 1 ФГА
на регенерацию на синтез оргвеществ
первичного
акцептора

III.Регенерация первичного акцептора
С3 – фосфоглицериновый альдегид (ФГА)
С6 – фруктозо-1,6-БФ
С4 – эритрозо-4-Ф
С7 – седогептулоза-7-Ф
С5 – рибулозомонофосфат

Фотодыхание
Фотодыхание – это светоиндуцируемое выделение углекислого газа зелеными листьями растений.
Фотодыхание обнаружено в 1965 году. Его осуществляет комплекс органоидов: хлоропласт, пероксисома, митохондрия.

Причины фотодыхания
1. Наличие оксигеназной функции у рибулозобисфосфаткарбоксилазы.
2. Высокая концентрация кислорода в атмосфере, составляющая 21%.
3. Значительные количества кислорода, проникающие в ткань растений, индуцируют оксигеназную функцию Rubisco.

Значение фотодыхания
На фотодыхательный метаболизм у С3-растений тратится до 55% продуктов фотосинтеза.
1. Фотодыхание выступает как футильный цикл, обеспечивающий защиту органических веществ (ДНК-белков) от фотодеструкции.
2. Образование протеиногенных аминокислот (глицина и серина).
3. Обеспечивает синтез сахарозы (с небольшой скоростью).

Значение фотодыхания
Фотодыхание – это «расплата» растений за созданную ими кислородную атмосферу.
Потеря 40-50% продуктов фотосинтеза является необходимой «данью» для выживания в условиях кислородного стресса.

Цикл Хэтча-Слэйка
Карпилов И.С. в 1963 году обнаружил включение 14СО2 в яблочную кислоту в листьях кукурузы.
Коржик в 1964 году установил в сахарном тростнике функционирование ФЕП-карбоксилазы.
Хэтч и Слэйк в 1969 году создали цикл ассимиляции СО2 по С4-типу фотосинтеза.

Анатомия листа у С4 - растений

Анатомия листа у С4 - растений
Для С4-растений характерна кранц-анатомия листа.
Внутреннее кольцо (обкладка) изолировано клетками мезофилла.
В клетках обкладки локализован цикл Кальвина.
В мезофильной ткани протекает специфический С4-путь ассимиляции углерода.

Биохимия цикла Хэтча-Слейка
1 – ФЕП-карбоксилаза, 2 – малатдегидрогеназа (НАД-зависимая), 3 – малатдегидрогеназа (декарбоксилир.), 4 - пируваткиназа

Физиологическая роль цикла Хэтча-Слэйка
Физиологическое значение цикла:
1) Увеличение концентрации СО2 в клетках обкладки.
Используется новый фермент ФЕП-карбоксилаза, обладающий высоким сродством к углекислому газу.
2) Рибулозо-бисфосфат-карбоксилаза «спрятана» в клетках обкладки, где концентрация кислорода минимальна.
Фотодыхание отсутствует или слабо выражено.

Физиологическая роль цикла Хэтча-Слэйка
3) ФЕП-карбоксилаза является уникальным ферментом, обладающим большим сродством к СО2, что имеет важное значение в условиях низкой концентрации СО2 в атмосфере (0,035 %).
4) ФЕП-карбоксилаза является термофильным ферментом (оптимум t = 30-40оС, что обеспечивает эффективное карбоксилирование при высоких температурах.

Эволюция фотосинтеза
Причины эволюции в последние 600 млн. лет обусловлены резким изменением факторов внешней среды.
1. Концентрация кислорода выросла с 1% до 21%.
2. Количество углекислого газа уменьшилось с 10% до 0,03% (углерод использовался на синтез органических веществ).
3. Нарушение гидробиологического режима. Резкое уменьшение содержания воды в биосфере.
Ксероморфогенез – основной путь эволюции.

Метаболизм органических кислот по типу толстянковых
Растения, осуществляющие метаболизм по типу толстянковых, являются суккулентами. Большинство принадлежат к сем.Crassulaceae, отсюда САМ-метаболизм. Представители: колланхое, седум и др.

САМ-метаболизм
Данные растения адаптировались к дефициту воды на биохимическом уровне. Днем устьица у этих растений закрываются, чтобы снизить потерю воды. Ночью у них устьица открываются.
Следовательно, СО2 может проникать в ткани только ночью и накапливаться в виде органических кислот.

САМ-метаболизм

Сущность САМ-метаболизма
1. САМ-фотосинтез осуществляет разделение ассимиляции СО2 и цикла Кальвина не в пространстве, а во времени.
2. Первичная фиксация СО2 осуществляется в темноте, где ФЕП-карбоксилаза присоединяет его к ФЕПу.
3. Днем устьица закрыты (предотвращение потери воды), и проникновение СО2 невозможно. Малат служит источником эндогенного СО2 (декарбоксилирование).
4. Образовавшийся СО2 диффундирует в хлоропласты и включается в цикл Кальвина.

Сравнительная характеристика основных показателей С3-, С4- и САМ-растений

Фотоокисление воды
До 1931 года доминировала формальдегидная гипотеза происхождения кислорода.
СО2 С + О2
С + Н2О СН2О
То есть, кислород образовывался по формальдегидной гипотезе из углекислого газа.

Происхождение кислорода
Ван-Ниль в 1931 году предположил, что кислород образуется из воды.
СО2 + Н218О СН2О + 18О2
18О – изотоп кислорода.
С помощью изотопа кислорода 18О была доказана справедливость этого утверждения.

Механизм выделения кислорода
Согласно Кутюрину (1968), молекула кислорода образуется из воды, в окислении которой участвует непосредственно хлорофилл.
Современная гипотеза предполагает участие марганец-содержащего фермента в окислении воды и формировании молекулы кислорода.

Механизм выделения кислорода
Mn-содержащий ферментный комплекс