Пути связывания СО 2 темновые реакции C 3

Пути связывания СО 2 (темновые реакции) C 3 путь (Кальвина) С 4 путь (Хетча-Слэка) САМ - метаболизм

Характеристика темновых реакций Темновые реакции фотосинтеза - это совокупность биохимических реакций, в результате которых происходит усвоение растениями СО 2 и образование углеводов. • Протекают в строме хлоропласта, где растворены ферменты. • Протекают за счет продуктов световой реакции АТФ и НАДФН ЕАТР → Еуглеводов

C 3 путь – цикл Кальвина (Бенсона-Кальвина) Открыт в 1946 -1956 гг. М. Кальвином и А. Бенсоном (университет Беркли, Калифорния). Мелвин Калвин (1911 -1997) Нобелевская премия 1961 г.

Предшествующие открытия • В 1940 г. амер. С. Рубен и М. Камен получили долгоживущий изотоп углерода 14 С с периодом полураспада 5770 лет. • В 1944 г. англ. А. Мартин и Р. Стинг разработали метод двумерной хроматографии на бумаге, который позволял разделять и идентифицировать органические соединения (Нобелевская премия, 1952) • Открыт метод авторадиографии.

Опыты Кальвина Схема, изображающая принцип устройства аппарата Кальвина.

Работы М. Кальвина • Первичным продуктом фиксации СО 2 является фосфоглицериновая кислота (ФГК) • Первичным акцептором СО 2 является рибулозо-1, 5 -бисфосфат (Ру. БФ) 32 Р-Ру. БФ + СO 2 → 32 Р–ФГК

Стадии цикла Кальвина 1. Карбоксилирование 2. Восстановление 3. Регенерация 4. Образование продуктов

Стадия карбоксилирования Ру. БФ + СО 2 + Н 2 О → 2 ФГК (2 С 3)

РУБИСКО Рибулозобисфосфат карбоксилаза/оксигеназа ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase – rubisco Состоит из субъединиц: 8 больших (54 к. Да) и 8 малых (14 к. Да)

Синтез РУБИСКО Формирование фермента происходит под контролем двух геномов.

Стадия восстановления ФГК 3 -ФГК + АТР→ 1, 3 ФГК фермент фосфоглицераткиназа 1, 3 ФГК + НAДФH → 3 -ФГА+ НAДФ + Н 3 РО 4 фермент триозофосфатдегидрогеназа Итого: 3 -ФГК+АТР+НAДФH → 3 -ФГА+ НAДФ + Н 3 РО 4

Стадия восстановления

Стадия регенерации Ру. БФ С 3 Р 1 → С 6 Р 2 → С 6 Р 1 (Ф-6 -Ф) С 3 Р 1 С 9 Р 2 С 3 Р 1 С 7 Р 2 С 10 Р 2 С 5 Р 1 (Кс-5 -Ф) С 4 Р 1 С 7 Р 1 С 5 Р 1 (Кс-5 -Ф) С 5 Р 1 (Р-5 -Ф)

Стадия синтеза углеводных продуктов фотосинтеза

Схема цикла Кальвина

Характеристика цикла Кальвина (С 3 путь) Восстановительный пентозофосфатный путь: • Универсален, функционирует у высших растений, водорослей, у большинства фототрофных бактерий. • единственный путь превращения СО 2 в фосфорилированные сахара, • Для синтеза 1 молекулы глюкозы в цикле Кальвина необходимо 12 молекул НАДФН и 18 молекул АТФ. Общее суммарное уравнение цикла : 6 РБФ + 6 СО 2 + 18 АТФ + 12 НАДФН → 6 РБФ + 2 ФГА + 18 АДФ + 16 Фн + 6 Н 2 О + 12 НАДФ

Heliantus Oriza sativa Phaseolus vulgaris Triticum aestivum

Темновая фаза фотосинтеза Рибулозомонофосфат Аминокислоты АТФ Глюкоза 1 АДФ + Ф 6 2 Триозофосфат НАДФ+ НАДФ*Н+Н 5 Рибулозодифосфат 2 Цикл Кальвина – Бенсона 4 Дифосфоглицерат 3 СО 2 Фосфоглицерат АТФ АДФ + Ф

Энергообеспечение фотосинтеза Е АТФ Фотофосфорилирование: АДФ + Ф АТФ

Суммарное уравнение фотосинтеза

Задание. Заполните таблицу «Сравнение световой и темновой фаз фотосинтеза» Критерии для сравнения Локализация Основные процессы Исходные вещества Образующиеся продукты Источник энергии Световая фаза Темновая фаза

Задание. Заполните таблицу «Сравнение световой и темновой фаз фотосинтеза» Критерии для сравнения Локализация Световая фаза Темновая фаза Мембрана тилакоидов Строма хлоропласта Основные процессы Фотолиз воды Восстановление НАДФ+ до НАДФН Синтез АТФ Окисление НАДФН Распад АТФ до АДФ и Ф. Фиксация СО 2 Цикл Кальвина) Исходные вещества Вода, АДФ, Ф, НАДФ+ АТФ, НАДФН , рибулезомонофосфат НАДФН , АТФ, О 2 Глюкоза, аминокислоты и т. п. Световая энергия Энергия АТФ Образующиеся продукты Источник энергии

C 4 – путь (цикл Хетча — Слэка)

История открытия 1956 -57 гг. Л. А. Незговорова показала включение 14 СО 2 в аспарагиновую кислоту и образование 14 С-аспартата 1965 г. Г. П. Корчак с сотр. (Гонолулу) показали включение 14 СО 2 в малат и аспартат 1965 г. работы Ю. С. Карпилова с сотр 1966 г. М. Д. Хетч и К. Р. Слэк

Распространение C 4 – растений Кукуруза, сорго, просо, портулак, сахарный тростник, росичка Злаковые Сложноцветные Никтагиновые Аизооновые Осоковые Портулаковые Молочайные Амарантовые Маревые Парнолистниковые Gramineae Аstеrасеае Nусtаginасеае, Аizоасеае Сурегасеае Роrtulасасеае Еuрhоrbiасеае Аmаrаnthaсеае Сhеnороdiасеае Zуgорhуllасеае

Анатомия поперечного среза листа у С 4 -растения Кранц-анатомия листа кукурузы (от нем. Кгаnz — венец, корона). Впервые описана в 1884 г. нем. ботаником Г. Габерландтом.

Особенности хлоропластов Хлоропласты Мезофилл Обкладка 1. Мелкие (обычные) 1. Крупные 2. Гранальные 2. Нет гран (только (тилакоиды граны и тилакоиды стромы) 3. Крахмальных зерен нет 3. Много зерен крахмала

Этапы С 4 - пути • Карбоксилирование • Малатный (аспартатный) шунт • Регенерация акцептора

Карбоксилирование В клетках мезофилла: ФЕП + СО 2 + Н 2 О → ЩУК (С 4) ЩУК - щавелевоуксусная кислота (оксалоацетат) ФЕП - фосфоенолпировиноградная кислота Фермент ФЕП-карбоксилаза (фосфоенолпируваткарбоксилаза)

Карбоксилирование В клетках мезофилла: ЩУК + НАДФН + Н+ →малат + НАДФ+ Фермент НАДФ + -зависимая малатдегидрогеназа ЩУК + НАДФН + NН 3 → аспартат + Н 2 О Фермент аспартатаминотрансфераза

Карбоксилирование

Малатный (аспартатный) шунт Сущность: транспорт кислот в клетки обкладки и последующее декарбоксилирование. Растения малатного типа – транспортируется малат (яблочная кислота) Растения аспартатного типа – транспортируется аспартат (аспарагиновая кислота)

Растения малатного типа В клетках обкладки: Малат + НАДФ+ → пируват + СО 2 + НАДФН + Н+ Фермент НАДФ+ -зависимая малатдегидрогеназа НАДФ+ -МДГ Регенерация акцептора В клетках мезофилла: ПВК + АТФ + Фн → ФЕП + АМФ + ФФн Ферменты пируватортофосфатдикиназа и аденилаткиназа (локализованы в хлоропластах мезофилла)

Сорго Сахарный тростник

Растения аспартатного типа Подтип ФЕП-КК Аспартат → оксалоацетат → ФЕП Фермент ФЕП-карбоксикиназа –ФЕП-КК Баклажаны, просо крупное, хлорис Подтип ФЕП-КК Аспартат→оксалоацетат→малат→ ФЕП Фермент НАД+-зависимая малатдегидрогеназа (малик-энзим, НАД+ МДГ) иван-чай, марь и просо южное, портулак огородный, ширица колосистая

просо хлорис росичка портулак

Схема С 4 -пути

Схема С 4 -пути

Клетки мезофилла Клетки обкладки ФЕП-карбоксилаза Рубиско Фотосистемы I и II Фотосистема II Нециклическое и циклическое фотофосфорилирование Цикл Хэтча-Слэка Циклическое фотофосфорилирование Цикл Кальвина

Энергетические затраты Для фиксации 1 молекулы СО 2 С 4 -путь – 5 молекул АТФ 2 молекулы НАДФН С 3 -путь - 3 молекулы АТФ 2 молекулы НАДФН

Особенности С 4 -растений Показатели Скорость фотосинтеза, мг СО 2/дм 2 час С 4 растения С 3 растения 50 -90 15 -40 Скорость роста, г сух. вещества/ дм 2 сутки 4 -5 0, 5 -2 Эффективность использования воды, г Н 2 О/1 г сух. вещества 250 -350 450 -950 Температурный оптимум 30 -45°С 20 -25 °С

Активность ферментов мм/мг хлорофилла мин (по Карпилову, 1969) Растения Рубиско ФЕПкарбоксилаза С 4 Кукуруза 0, 62 17, 50 Сорго 0, 35 15, 80 Сахарный тростник 0, 30 18, 50 С 3 Пшеница Овес Свекла 4, 70 0, 29 4, 50 4, 20 0, 33 0, 35

ФЕП-карбоксилаза Имеет большее сродство к СО 2, работает при концентрациях СО 2 во много раз более низких по сравнению с Rubisco. Сопротивление мезофилла диффузии СО 2 у С 4 - растений - 0, 3— 0, 8 см/с, у С 3 - растений - 2, 8 см/с.

САМ-метаболизм Crassulaceae acid metabolism Метаболизм органических кислот у Толстянковых

Распространен у представителей семейств Однодольные: Аgаvасеае, Вrоmеliасеае, Liliасеае, Оrchidасеае, Двудольные Аizoасеае, Аsclepiadасеае, Сасtасеае, Саrуорhуllасеае, Сhеnороdiасеае, Соmpositae, Соnvolvulaceae, Сrаssulaceae, Еирhоrbiасеае, Рlаntаginaceae, Роrtulacaceae, Vitaсеае

бриофиллюм мезембреантемум

С 4 – фотосинтез С 4 -метаболизм: пространственное разделение карбоксилирования и фиксации СО 2

САМ - фотосинтез САМметаболизм: временное разделение карбоксилирования и фиксации СО 2

Гликолатный цикл Фотодыхание – это поглощение кислорода и выделение СО 2 на свету с использованием в качестве субстрата промежуточных продуктов цикла Кальвина. 1920 г. О. Варбург 1955 Деккер

Двойственная функция Rubisco: а) карбоксилазная РБФ + СО 2 → 2 ФГК С 5 + С 1 → 2 С 3 б) оксигеназная РБФ + О 2 → ФГК + ФК ФК - фосфогликолевая кислота С 5 + О 2 → С 3 + С 2 РБФ-карбоксилаза/оксигеназа

Механизм осуществления карбоксилазной и оксигеназной реакций ферментом РУБИСКО РБФ – рибулозобисфосфат РБФК/О – рибулозобис фосфаткарбоксилаза/оксиге наза (Рубиско) РБФК – фермент в комплексе с РБФ и СО 2 РБФО – фермент в комплексе с РБФ и О 2

Химизм фотодыхания

Роль фотодыхания 1) Устранение избыточной энергии, фотоингибирование фиксации СО 2, что может вызываться фотоокислением и разрушением фотосинтетического аппарата. 2) Защита от фотодеструкции фотосинтетического аппарата при недостатке воды или высокой температуре, в отсутствие CО 2 при невостребованности продуктов световой фазы. 3) Синтез аминокислот серина и глицина (расходуются на синтетические процессы) 4) Реакции превращения гликолата позволяют обойти реакцию карбоксилирования в цикле Кальвина, при этом цикл может функционировать без поглощения СО 2.

Сравнение путей фиксации СО 2 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. Распространение. Продуктивность Анатомия листа Фиксация СО 2 Первичный акцептор СО 2 Фермент карбоксилирования. Продукт карбоксилирования. Фотодыхание Листовые жилки СО 2 -компенсационный пункт Эффективность использования воды Влияние света Влияние высокой температуры Устойчивость к засухе и солям