Темновая фаза фотосинтеза образование основных фондов из

Темновая фаза фотосинтеза – образование «основных фондов» из НАДФН и АТФ

Схема восстановительного пентозо-фосфатного цикла 6 CO 2 1 C 6

Цикл Кальвина: энергетика 1 НАДФН = 1. 15 в х 2 = 230 кдж ( 1 в ~ 100 кдж. , в НАДФН - 2 е-) 1 АТФ = 30 кдж Затраты: 12 НАДФН = 2760 кдж 18 АТФ = 540 кдж Всего: 3300 кдж Сжигание 1 моля глюкозы: 2800 кдж Эффективность преобразования энергии – 85%. Неплохо. Разность в 500 кдж заставляет цикл «крутиться» в нужную сторону Общая эффективность фотосинтеза «от кванта» : на 1 СО 2 (на 2 Н 2 О) идет 8 е- (по 4 е- на каждую фотосистему) 1 моль квантов 700 нм = 1. 77 в = 176 кдж. 176 х 8 х 6 = 8450 кдж. Эффективность 33%. Очень неплохо.

Восстановительный пентозо-фосфатный цикл (ВПЦ)

Восстановительный пентозо-фосфатный цикл. Немного истории. Нобелевская премия за 1961 год. Работы лорда Мельвина Кальвина с сотрудниками. Фотосинтезирующей хлорелле давали меченный 14 СО 2 , через короткие промежутки времени ее (хлореллу) фиксировали кипящим спиртом (садизм), и проводили двумерную бумажную хроматографию получившихся меченых продуктов. Одним из первых обнаруживался меченый ФГА – С 3 соединение. Bassham, 1965

Фаза карбоксилирования ВПЦ ΔG = -8, 4 ккал

Рибулозо-бисфосфат карбоксилаза-оксигеназа (Rubisco) самый главный фермент на планете Земля (10 млн. тонн) М. в. ~560 k. Da, 8 L (55 k. Da), 8 S (15 k. Da) Km. CO 2 = 12μM Km. O 2 = 250μM Km. РУБФ = 40μM

Решение проблемы низкого СО 2 : активация Rubisco (активаза) Активный центр в темноте

Рибулозо-бисфосфат карбоксилаза-оксигеназа (Rubisco) Активный центр формируют аминокислотные остатки С- и Nконцов двух соседних L-субъединиц

Rubisco катализирует две взаимоисключающие реакции

Решение проблемы низкого СО 2: «запас» СО 2 (физ-хим. + карбоангидраза) ? Тилакоид p. H 5, 0

Восстановительная фаза цикла Кальвина: «гликолиз наоборот» Km ФГК = 0, 5 m. M Km ATФ = 0, 1 m. M Мв 47 k. Da ΔG = +4, 5 ккал Km ДФГК = 1μM Km НАДФН =4 μM Мв 600 k. Da ΔG = -1, 5 ккал

Фаза регенерации: общая схема перегруппировок

Фаза регенерации: образование фруктозо-1, 6 -бисфосфата Km ДГАФ = 1, 1 m. M Km ФГА = 0, 3 m. M Мв 53 k. Da ΔG = -1, 8 ккал Km ФГА = 0, 3 m. M Km ФБФ = 20 μM Мв 150 k. Da ΔG = -5, 5 ккал

Фаза регенерации: образование фруктозо-6 -фосфата Km ФБФ = 0, 2 m. M Мв 160 k. Da ΔG = - 4, 0 ккал

Фаза регенерации: первая транскетолазная реакция Мв 140 k. Da ΔG = - 1. 5 ккал

Фаза регенерации: образование седогептулезо-1, 7 -бисфосфата Та же самая альдолаза Km ФГА = 0, 3 m. M Km ФБФ = 20 μM Мв 150 k. Da ΔG = -5, 5 ккал GAP # 5 used here

Фаза регенерации: образование седогептулезо-7 -фосфата Km СБФ = 0, 24 Мв 50 k. Da ΔG = - 4, 0 ккал

Фаза регенерации: вторая транскетолазная реакция Та же самая транскетолаза Мв 140 k. Da ΔG = - 1. 5 ккал

Фаза регенерации: образование рибулезо-5 -фосфата 2 2 Н Km Р 5 Ф = 2. 0 m. M Мв 54 k. Da ΔG = 0, 64 ккал 2 Km Ку5 Ф = 0, 5 m. M Мв 46 k. Da ΔG = -0, 13 ккал Н

Фаза регенерации: образование рибулезо-1, 5 -бисфосфата 2 Н Km Ру5 Ф = 0, 2 m. M Km АТФ = 0. 1 m. M Мв 240 k. Da ΔG = -5, 2 ккал

Восстановительный пентозо-фосфатный цикл: общий вид

Светом регулируется активность минимум пяти ферментов ВПЦ • ФБФ-за • СБФ-за • Ру5 Ф-киназза • Триозофосфатдегидрогеназа • Рубиско: а/ присоединение активазы, которая «выталкивает» РУбис. Ф или КСбис. Ф из активного центра б/ активирование карбамилизацией с/ активация генов S-субъединиц через фитохром и криптохром

Транспорт интермедиатов через хлоропластную мембрану Картинка 20 -летней давности

А как экспортируются сахара? УДФ- и АДФ-гексозы – активированные формы сахаров

Конечные продукты фиксации СО 2 - крахмал в пластидах и сахароза в цитозоле. ПЛАСТИДА ЦИТОЗОЛЬ Отлична от пластидной Пулы гексоз Однако трансген с «выключенным» триозным транспортером жизнеспособен…

Образование транзиторного крахмала в хлоропластах – сложный процесс. . Крахмал – полимер глюкозы. Состоит из амилозы (линейный α-D-1, 4 -полимер) и амилопектина (разветвленный по α-D-1, 6 -гликозидной связи полмер) Транзиторный крахмал образуется в хлоропластах в течение дня и расходуется в течение ночи. Это позволяет постоянно снабжать гетеротрофные части растения сахарозой, то есть транзиторный крахмал явдляется своеобразным «буфером» в снабжении растения сахарозой. Однако механизмы этого процесса стали известны только в последние 3 – 4 года. .

Гидролиз транзиентного крахмала требует фосфорилирования амилопектина. Эта дикиназа фосфорилирует один на 2000 гликозильных остатков, однако ее выключение на порядок тормозит ночной гидролиз крахмала ее выключение не влияет на гидролиз крахмала Триозный путь работает днем, но не ночью, т. к. цитозольная ФБФ-за выключается фр-2, 6 -бисфосфатом… MEX 1 Цитозоль ее выключение тормозит гидролиз крахмала NB – в мембране хлоропласта есть переносчики не только триоз, но и мальтозы и глюкозы

Снова к шизофреничному ферменту. . Итак, Rubisco катализирует две взаимоисключающие реакции

Фотодыхание – процесс, происходящий в трех органеллах Клетка мезофилла молодого листа табака Nicotiana tabacum (x 48 000) 1 – пероксисома, 2 – митохондрия, 3 – хлоропласт

Фотодыхание - общая и подробная схемы. .

Глицин-декарбоксилазный комплекс в митохондриях

Соотношения карбоксилазной и оксигеназной функции Рубиско Только карбоксилазная функция: полная «загрузка» Рубиско, из всей фиксированной СО 2 образуется триозофосфат Соотношение карбоксилазной и оксигеназной функции 1 : 2 (компенсационная точка): весь фиксированный СО 2 растрачивается в фотодыхании Смысл фотодыхания - ? Снабжение аминокислотами? Или защита при недостатке СО 2 - циклы должны крутиться… Или хорошая мина при плохой игре?

С 4 -фотосинтез: Кранц-анатомия Клетки мезофилла Клетки обкладки

С 4 -фотосинтез: «СО 2 -насос» , принципиальная схема С 4 –растения: Двудольные: 15 семейств, 2000 видов Однодольные: 3 семейства, 6000 видов Главная реакция ФЕП-карбоксилаза: • Использует НСО 3 -, • Нечувствительна к О 2, • Км = 0, 2 – 0, 4 m. M, • Локализуется в цитозоле

ФЕП-карбоксилаза: структура и механизм работы Тетрамер ФЕП-карбоксилазы; Мономер (соответствует «красному» в тетрамере) и его консервативные участки. Механизм работы ( желтым показан гидрофобный «карман» )

Регулирование активности ФЕП-карбоксилазы

«Запас» СО 2 (карбоангидраза) для С 4 растений Тилакоид p. H 5, 0

Электронная фотография хлоропластов мезофилла (вверху) и клеток обкладки (внизу) С 4 растения (сорго)

С 4 -фотосинтез: участники игры С 4 С 3 ПВК, пируват ФЕП С 5 ЩУК, оксалоацетат Малат α-кетоглутарат Глутамат Аланин Аспартат

Три варианта С 4 – растений: ФЕП- карбоксикиназный НАДФ -малатдегидрогеназный НАД -малатдегидрогеназный

Распределение ферментов при С 4 -фотоситезе. НАДФ-МЕ Halothamnus glaucus Рубиско ФЕП - карбоксилаза Декарбоксилаза НАД-МЕ Salsola laricina ФЕП-КК Spartina anglica

Три варианта С 4 – растений: НАДФ-МДГ (малик-энзим) Транспорт – малат. СО 2 выделяется в пластидах.

Три варианта С 4 – растений: НАД-МДГ (малик-энзим) Транспорт – аспартат. СО 2 выделяется в митохондриях.

Три варианта С 4 – растений: ФЕП-КК (карбоксикиназный) Транспорт – аспартат и возможно малат СО 2 выделяется в цитозоле и возможно в митохондриях

Фиксация СО 2 у С 3 и С 4 растений в зависимости от ее концентрации Скорость фотосинтеза: С 3 – 15– 40 мг СО 2/дм 2 час С 4 – 40– 80 мг СО 2/дм 2 час Потери воды при росте: С 3 – 450 -950 г /г сух. массы С 4 – 250 -350 г /г сух. массы

Распространение С 3 и С 4 растений в степях и саваннах…

Распространение С 3 и С 4 растений

САМ-метаболизм: временное разделение карбоксилирования и фиксации СО 2

САМ-метаболизм: малат может поступает в вакуоль не только из цитозоля, но и из митохондрий.

С 3, С 4 и САМ–метаболизм: адаптационные приспособления и переключения. «Хрустальная травка» . При засолении и засухе может переключать свой метаболизм с С 3 на САМ

С 3 и С 4–метаболизм: возможны варианты? . Присутствие «С 4 -подобного» фотосинтеза предполагается у ряда С 3 растений в клетках, окружающих сосудистые системы. Например, в клетках табака, расположенных рядом с флоэмой и ксилемой, присутствуют ферменты С 4 фотосинтеза (ФЭП-крбоксилаза и маликэнзим), они используют малат, поступающий из сосудистой системы в качестве источника СО 2. Независимое и многократное возникновение С 4 фотосинтеза или его элементов у разных групп растений?

Маленькая сенсация – одноклеточный С 4 -фотосинтез. Флуоресценция хлоропластов в клетках Borszczowia aralocaspica (A) и Bienertia cycloptera (B)

Электронная микроскопия со схемой одноклеточного С 4 -фотосинтеза. Borszczowia arlocaspica (A) и Bienertia cycloptera (B) СО 2 Цитозоль ( «внешняя сторона» ) Цитозоль (диффузный барьер Цитозоль ( «сосудистая область» ) Цитозоль ( «внешняя сторона» ) Цитозоль (диффузный барьер) Цитозоль ( «сосудистая область» )