лекція 1 розділ ФОТОСИНТЕЗ Біохімія фотосинтезу
План лекції 1. С 3 -шлях фотосинтезу. Цикл Кальвіна 2. С 4 -шлях фотосинтезу. Цикл Хетча-Слека. 3. САМ-фотосинтез. Метаболізм за типом товстянкових. 4. Фотодихання.
Основне рівняння фотосинтезу має простий вигляд, як і всі складні багатостадійні природні процеси. Його результатом є утворення цукру (глюкози) із води і вуглекислого газу. 6 СО 2+6 Н 2 О світло рослина C 6 H 12 O 6+6 O 2, Δ F=+675 ккал.
Вуглекислота та вода надходять у листки. Внаслідок низки перетворень речовин, умовно позначених А, Б, В, в хлоропластах утворюється один з основних продуктів фотосинтезу – крохмаль (у вигляді символічної субодиниці СН 2 О). світло рослина СО 2 A Б B (CH 2 O) O 2 вода
Світлова фаза Темнова фаза Утворені в результаті біофізичних процесів світлової фази фотосинтезу продукти (АТФ, НАДФН) використовуються у процесі фотосинтетичної асиміляції (засвоєння) вуглекислого газу.
Дві стадії фотосинтезу C 6 H 12 O 6 “фіксація карбону”
Взаємозв’язок світлових і темнових реакцій РДФ карбоксилювання регенерація Синтез сахарози тріозофосфати Синтез крохмалю 3 -ФГК відновлення
1. С 3 -шлях фотосинтезу. Цикл Кальвіна Залежно від виду рослини і навіть її фізіологічного стану шлях СО 2 при фотосинтезі може бути різний. Основний – це цикл реакцій відновлення СО 2 до вуглеводів, який властивий усім фотосинтезуючим рослинам, називається циклом Кальвіна або відновлювальним пентозофосфатним циклом (С 3 -шлях фотосинтезу) Це складний. . непрямий циклічний процес відновлення СО 2 у хлоропластах. Основна роль циклу полягає у відновленні, регенерації акцептора СО 2.
Лоуренсовська лабораторія (Каліфорнія, США) 1946 – 1956 Мелвін Кальвін Обєкт: Chlorella Методи: 14 С, 32 P, двомірна хроматографія
В результаті досліджень Кальвіна виявлено, що першим продуктом фіксації СО 2 є фосфогліцеринова кислота (3 -ФГК), оскільки радіоактивна мітка найшвидше виявляється саме у цій сполуці, а найбільше – у карбоксильній групі. СН 2 ОР СНОН СООН Первинний продукт фотосинтезу – 3 ФГК
Природа первинного акцептора СО 2 Подальші дослідження кінетики фотосинтезу виявили, що акцептором СО 2 є 5 -вуглецева сполука – рибулозо-1, 5 -дифосфат (РДФ).
У послідовності реакцій циклу регенерації можна схематично виділити 3 стадії: 1. Фіксація СО 2 2. Відновлення СО 2 3. Регенерація акцептора СО 2
Модель молекули рибулозобісфосфаткарбоксилази. Білим і сірим кольором показані великі ланцюги, синім і оранжевим — малі.
Вся послідовність реакцій циклу регенерації акцептора СО 2 складається з 23 реакцій, за його розшифрування М. Кальвін отримав Нобелівську премію. Мелвін Кальвін
Реакції циклу Кальвіна Ензим Реакція 1. Рибулозо-1, 5 біфосфаткарбоксилаза/оксигеназа 6 Рибулозо-1, 5 -біфосфат + 6 СО 2 + 6 Н 2 О → 12 (3 -фосфогліцерат) + 2. 3 -Фосфогліцерат кіназа 12(3 -фосфогліцерат) + 12 АТФ → 12 (1, 3 -біфосфогліцерат) + 12 АДФ 3. НАД: гліцеральдегід-3 -фосфат дегідрогеназа 12 (1, 3 -біфосфогліцерат) + 12 НАДФН + 12 Н+ → 12 гліцеральдегід-3 фосфат + 12 НАДФ++ 12 Фн 4. Тріозофосфат ізомераза 5 гліцеральдегід-3 -фосфат → 5 дигідроксиацетон-3 -фосфат 5. Альдолаза 3 гліцеральдегід-3 -фосфат + 3 дигідроксиацетон-3 -фосфат → 3 фру 1, 6 -дифосфат 6. Фруктозо-1, 6 -біфосфатаза 3 фруктозо -1, 6 -дифосфат + 3 Н 2 О → 3 фруктозо-6 -фосфат + 3 Фн 7. Транскетолаза 2 фруктозо-6 -фосфат + 2 гліцеральдегід 3 -фосфат → 2 еритрозо-4 -ф + 2 ксилулозо-5 -фосфат 8. Альдолаза 2 еритрозо-4 -фосфат + 2 дигідроксиацетон-3 -фосфат → 2 седогепту 1, 7 -біфосфат 9. Седогептулозо-1, 7 -фосфатаза 2 седогептулозо-1, 7 -біфосфат + 2 Н 2 О → 2 седогептулозо-7 -фосфат 10. Транскетолаза 2 седогептулозо-7 -фосфат + 2 гліцеральдегід-3 -фосфат → 2 рибоз фосфат + 2 ксилулозо-5 -фосфат 11 а. Рибулозо-5 -фосфат епімераза 11 в. Рибозо-5 -фосфат ізомераза 4 ксилулозо-5 -фосфат → 4 рибулозо-5 -фосфат 2 рибозо-5 -фосфат → 2 рибулозо-5 -фосфат 12. Рибулозо-5 -фосфат кіназа 6 рибулозо-5 -фосфат + 6 АТФ → 6 рибулозо-1, 5 -біфосфат + 6 АДФ + Сума: 6 СО 2 + 11 Н 2 О + 12 НАДФН + 18 АТФ → фруктозо-6 -фосфат + 12 НАДФ+ + 6 Н+ АДФ +17 Фн
Енергетична ефективність циклу Кальвіна Розраховано, що для відновлення 1 моль СО 2 витрачається 2 моль НАДФН 3 моль АТФ Утворення цих кофакторів – енергозатратні процеси, що відбуваються за рівняннями: НАДФН+ + Н 2 О НАДФН + Н+ + ½ О 2; ΔF =+52, 6 ккал. АДФ + НРО 42 - + Н+ АТФ + Н 2 О; ΔF =+11 ккал. Загальна кількість хімічної енергії, що витрачається на відновлення СО 2 до вуглеводів, складає: 2 • 52, 6+ 3 • 11= 138, 2 ккал. Відомо, що загальна кількість енергії, нагромаджена в процесі фотосинтезу (енергія утворення 1 моль цукру), становить 112 ккал. ККД = 112/138, 2 = 81% Отже, цикл відновлення вуглецю у фотосинтезі дуже енергетично вигідний, незважаючи на складність та багатостадійність.
В хімічному відношенні фотосинтез полягає у перегрупуванні хімічних зв'язків. З простих речовин Н 2 О та СО 2 утворюється СН 2 О. Відбувається перегрупування зв'язків С=О та Н–О у зв'язки С–Н та =С–С= Енергія зв'язків ЕС=О =190 ккал/моль ЕН–О =110 ккал/моль ЕС–Н =92 ккал/моль ЕС–С =116 ккал/моль СО 2+Н 2 О СН 2 О+О 2 Енергія хімічних зв'язків сполук 380 220 374 116 ккал/моль до реакції 600 ккал/моль після 490 ккал/моль. ΔF= 110 ккал/моль Відбувається концентрування енергії у вигляді вуглеводів – високоенергетичних сполук
Процес фотосинтезу супроводжується збільшенням вільної енергії системи (ΔF), тобто відбувається проти термодинамічного градієнта. Рушійною силою фотосинтезу є енергія світла.
Стехіометрія циклу Кальвіна (С 3 С 6 шлях) В одному обороті циклу відновлення СО 2 беруть участь 18 атомів вуглецю: 5 молекул пентозофосфату (3 • 5=15 атомів С) реагують з 3 молекулами СО 2 (3 атоми С), утворюючи 6 молекул 3 -ФГК (15+3=18 атомів С). З них 15 атомів С необхідні для регенерації акцептора в циклі, а 3 атоми С використовуються для синтезу кінцевих продуктів фотосинтезу. Для відновлення 3 -х молекул СО 2 необхідно 3 • 2=6 молекул НАДФН та 3 • 3=9 молекул АТФ. Відбувається перехід від 3 -вуглецевого акцептора до 6 -вуглецевих продуктів (С 3 С 6).
2. С 4 -шлях фотосинтезу. Цикл Хетча-Слека Цикл Кальвіна – універсальний шлях відновлення СО 2 в біосфері, він функціонує в більшості рослин (95%), проте не єдиний. Існує декілька відгалужень від нього, зумовлених пристосуванням рослин до умов підвищеної температури (рослини тропіків, С 4 -тип фотосинтезу) чи нестачі вологи (сукуленти, САМ-фотосинтез).
Різновид циклу відновлення СО 2 – утворення 4 -вуглецевих сполук (аспартату, малату), коли акцептором СО 2 виступає фосфоренолпіровиногорадна кислота (ФЕП), був відкритий в 60 -х рр. ХХ ст. М. Д. Хетчем та К. Р. Слеком (цикл Хетча-Слека) в низки рослин тропічного походження (кукурудза, сорго, просо, цукрова тростина).
Замикаючі Клітини клітини обкладки хлоропласти Клітини епідермісу Клітини мезофілу продих ксилема флоема Кукурудза має два типи хлоропластів: агранальні, розміщені в клітинах мезофілу, де вуглець відновлюється в циклі Хетча-Слека (С 4), та гранальні, розміщені в клітинах обкладки провідних пучків, в яких відбувається фіксація вуглецю в циклі Кальвіна (С 3).
C 4 Фотосинтез
Загальна схема С 4 фотосинтезу Будова С 4 листка Клітини мезофілу Клітини обкладки Судинний пучок СО 2 ФЕП карбоксилаза ЩОК (4 С) ФЕП (3 С) АДФ МАЛАТ (4 С) АТФ Повітря С 3 та С 4 шляхи просторово Клітини Продих обкладки розмежовані: в хлоропластах клітин Судини мезофілу відбувається С 4 -фотосинтез, а в хлоропластах клітин обгортки – С 3 фотосинтез. Малат, утворений в клітинах мезофілу, транспортується в клітини обгортки, там декарбоксилюється до пірувату і назад транспортується у клітини мезофілу. Клітини обкладки ПІРУВАТ (3 С) СО 2 Цикл Кальвіна Цукри Флоема
Реакції циклу Хетча-Слека ФЕП-карбоксилаза ФЕП ЩОК (оксалоацетат) НАДФ-малатдегідрогеназа ЩОК (оксалоацетат) Малат НАДФ-малатензим Малат Піруват-фосфат-кіназа Піруват ФЕП
І. А. Тарчевський встановив, що для типової С 4 рослини – кукурудзи продукти фотосинтезу залежать від співвідношення оксиленого/відновленого НАДФ: НАДФН+/НАДФ >1 утворюється малат НАДФН+/НАДФ < 1 утворюється аспартат
тилакоїд Крохмальне зерно В листках однодольних і дводольних рослин, здатних до С 4 -фотосинтезу, завжди є густа сітка дрібних провідних пучків, оточених великими хлорофілоносними клітинами обкладки, в яких можуть утворюватися крохмальні зерна. Клітини мезофілу дрібніші і не нагромаджують крохмаль.
С 4 -рослини стійкіші до несприятливих чинників: високої температури, засолення, оскільки мають вдвічі кращу здатність до ефективного використання води, вони можуть здійснювати фотосинтез при закритих продихах за рахунок ендогенного СО 2. Показники ефективності фотосинтезу Показник С 4 -рослини С 3 -рослини Швидкість фіксації СО 2, мг/дм 2 поверхні листа за годину 40– 80 15– 40 Швидкість росту, г сухої маси/дм 2 поверхні листа за день 4– 5 0, 5– 2 Втрата води, г/г збільшення сухої маси 250– 350 450– 950
3. САМ-фотосинтез. Метаболізм за типом товстянкових САМ-фотосинтез від англ. Crassulacean Acid Metabolism Сукуленти, як фотосинтезуючі організми, пристосувались до посушливих умов зростання добовим циклом С 4 -кислот з утворенням малату (яблучної кислоти). Їхні продихи вдень закриті для зменшення транспірації, тому СО 2 може надходити лише вночі.
Темрява, відкриті продихи Через відкриті продихи надходить СО 2 та втрачається Н 2 О Фіксація СО 2 – закислення листка ФЕП ЩОК ФЕП крох маль малат Яблучна к-та, вакуоля СО 2 надходить в листки, де взаємодіє з ФЕП і за участі ФЕПкарбоксилази утворює оксалоацетат (ЩОК), який відновлюється до яблучної кислоти (малату) за участі НАФД-залежної малатдегідрогенази, яка нагромаджується у вакуолях, відбувається закислення листків.
Світло, закриті продихи Декарбоксилювання нагромадженого малату та рефіксація ендогенного СО 2 - розкислення піруват крохмаль Закриті продихи, Н 2 О не втрачається, СО 2 не надходить Яблучна к-та Вдень, коли продихи закриті, яблучна кислота транспортується з вакуолей в цитоплазму, де декарбоксилюється до пірувату та СО 2, який надходить в хлоропласти і включається в цикл Кальвіна.
Порівняння САМфотосинтез у та С 4 шляху фотосинезу Цукрова тростина Ананас Клітини Органічні мезофілу кислоти Кліти ни обкла дки СО 2 фіксується 4 -вуглецевими органічними кислотами Органічні кислоти СО 2 надходить в цикл Кальвіна цукор ніч день цукор Часове розділення Просторове процесів розділення процесів
За умов доброго водозабезпечення низка рослин з САМ-типом фотосинтезу можуть здійснювати лише С 3 -фотосинтез, а частина С 3 рослин за умов жорсткого водного дефіциту виявляють риси САМ-фотосинтезу.
4. Фотодихання В рослинних клітинах, які мають хлоропласти, крім С 3 чи С 4 – шляхів редукції СО 2, здійснюється також фотодихання – активований світлом процес виділення СО 2 та поглинання кисню, що суттєво відрізняється від темнового дихання мітохондрій. Оскільки первинним продуктом фотодихання є гліколева кислота, то воно має другу назву гліколатний шлях.
СО 2 Фотодихання здійснюється за участі трьох клітинних органел: • Хлоропластів РДФ хлоропласт 3 -ФГК Цикл Кальвіна гліцераткіназа фосфогліколат пероксисома • Пероксисом гліцерат • Мітохондрій гідроксипіруват амінотрансфераза серин мітохондрія серин оксидаза гліколевої к -ти гліоксилат амінотрансфераза гліцин
У деяких рослин С 3 -типу з низькою інтенсивністю фотосинтезу інтенсивність фотодихання може сягати 50% від інтенсивності фотосинтезу. Фотодихання у С 3 -рослин посилюється за низького вмісту СО 2 та високого – О 2. В цих умовах РДФ-карбоксилаза хлоропласта працює як оксигеназа, каталізуючи окислення РДФ до 3 -ФГК та 2 -ФГК, яка дефосфорилюється в гліколеву кислоту.
Молекули СО 2 та О 2 конкурують між собою в каталітичному центрів РДФ-карбоксилази/оксигенази: • при високій концентрації СО 2 та низькій О 2 переважає карбоксилювання, утворюється РДФ, • при високій концентрації О 2 та низькій СО 2 переважає окиснення, утворюється ФГК. Так само на каталітичні властивості РДФкарбоксилази/оксигенази діє підвищення температури.
Продукти фотосинтезу Продуктами фотосинтезу вважають низку речовин, що утворюються в хлоропластах на світлі в результаті засвоєння вуглекислоти. Первинним продуктом фотосинтезу є 3 фосфогліцеринова кислота (3 -ФГК). Основними кінцевими продуктами фотосинтезу вищих рослин і водоростей є вуглеводи: сахароза і крохмаль. Продуктами фотосинтезу за різних умов можуть бути амінокислоти, білки, органічні кислоти.
Синтез вуглеводів при фотосинтезі
СО 2 3 -ФГК фосфодиоксиацетон фруктозо-1, 6 -дифосфат фруктозо-6 -фосфат сахарозофосфат глюкозо-6 -фосфат САХАРОЗА УТФ УДФглюкоза глюкозо-1 -фосфат АТФ АДФ-глюкоза -АДФ КРОХМАЛЬ Відбувається конкуренція між двома ферментними системами: • АДФ-глюкопірофосфорилази і спряженої з нею крохмальсинтази та • УДФ-глюкопірофосфорилази і спряженої з нею сахарозофосфатсинтази
Транспорт продуктів фотосинтезу Значна частина продуктів фотосинтезу використовується безпосередньо в клітинах мезофілу, решта транспортується у інші органи рослин. Відтік продуктів фотосинтезу від клітин мезофілу до провідних пучків (ближнє транспортування) здійснюється 3 ма шляхами: • Проста дифузія крізь товщу протоплазми і оболонки клітин; • Рух по плазмодесмам (симпластичний шлях); • Рух по вільному простору міжклітинників (апопластний шлях).
Дальнє транспортування продуктів фотосинтезу здійснюється по провідних пучках та по флоемі. Основна транспортна форма асимілятів – сахароза (для більшості рослин), або стахіоза (трисахарид гарбузових), оскільки в провідних пучках відсутня інвертаза. Рух асимілятів – активний процес, що відбувається за рахунок енергії дихання. Швидкість пересування асимілятів по флоемі 40 -150 см/год.
ДЯКУЮ ЗА УВАГУ!
• Photosynthesis takes place in 3 stages: – Capturing energy from sunlight – Using the energy to make ATP and reduce NADP+ to NADPH • (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) – Using the ATP and NADPH to synthesize organic molecules (glucose) from CO 2 48
Photosynthesis is divided into: light-dependent reactions -capture energy from sunlight -make ATP and reduce NADP+ to NADPH carbon fixation reactions (lightindependent reactions) -use ATP and NADPH to synthesize organic molecules from CO 2
6 CO 2 + 12 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O + 6 O 2
Реакції в циклі регенерації акцептора СО 2 1. Відновлення 3 -фосфогліцеринової кислоти (3 -ФГК) до 3 -фосфогліцеринового альдегіду (3 -ФГА), який ізомеризується в кето-форму – фосфодиоксиацетон. H 3 -ФГК Тріозофосфатдегідрогеназа Тріозофосфат-ізомераза 3 -ФГА фосфодиоксиацетон
2. Синтез з двох утворених тріоз однієї молекули гексози – фруктозо-1, 6 -дифосфату. альдолаза 3 -ФГА фосфодиоксиацетон фруктозо-1, 6 -дифосфат
3. Розщеплення фруктозо-1, 6 -дифосфату на еритрозо-4 фосфат та вуглецевий фрагмент, що містить кетогрупу. транскетолаза фруктозо-1, 6 -дифосфат еритрозо-4 -фосфат (С – С)
4. Взаємодія еритрозо-4 -фосфату з фосфодиоксиацетоном з утворенням семивуглецевої сполуки – седогептулозо-1, 7 дифосфату еритрозо-4 -фосфат фосфодиоксиацетон седогептулозо-1, 7 -дифосфат
5. Після монодефосфорилювання седогептулозо-1, 7 дифосфату у седогептулозо-7 -фосфат за участі фосфатази, в результаті транскетолазної реакції з фосфогліцериновим альдегідом (3 -ФГА) утворюється дві фосфорильовані пентози: рибулозо-5 -фосфат та рибозо-5 -фосфат транскетолаза + + 3 -ФГА седогептулозо-7 -фосфат рибулозо-5 -фосфат рибозо-5 -фосфат
6. Утворений рибулозо-5 -фосфат може фосфорилюватися за допомогою АТФ (за участі фосфорибулокінази), знову перетворюючись у рибулозо-1, 5 -дифосфат (РДФ) – акцептор СО 2. фосфорибулокіназа АТФ рибулозо-5 -фосфат рибулозо-1, 5 -дифосфат (РДФ)
У послідовності реакцій циклу регенерації можна схематично виділити 3 стадії: 1. фіксація СО 2 РДФкарбоксилаза 3 -ФКГ РДФ 1. Фіксація СО 2 1, 3 -ФГК 2. Відновлення СО 2 3. Регенерація акцептора СО 2 ФГА Регенерація акцептора СО 2 (РДФ) ФГК Відновлення СО 2 Глюкоза та інші органічні речовини
Скачать презентацию лекція 1 розділ ФОТОСИНТЕЗ Біохімія фотосинтезу План
L_11.ppt