Биологический каталог




Фотосинтез

Автор Д.Холл, К.Рао

ений. Показаны окисленная и восстановленная формы белка. (Rao, Carnmack, Hall, Johnson Biochem. J., 122, 257, 1971.)

экспериментах его можно заменить витамином Кз, фла-виномононуклеотидом (ФМН) или одним из многих красителей. Возможно, что при такой замене последовательность переносчиков изменится, но единственным продуктом процесса будет опять-таки АТР.

При некоторых условиях восстановленный ферредоксин в хлоропластах может окисляться не NADP+, а кислородом. Такой нециклический транспорт электронов от молекулы воды на Ог называют псевдоциклическим транспортом. Псевдоциклический транспорт электронов приводит к поглощению кислорода и образованию перекиси водорода Н2О2 [реакция Мелера (Mehler)], которая является токсичным продуктом и, следовательно, должна удаляться из хлоропласта. Образование АТР, сопровождающее псевдоциклический перенос электрона, называют псевдоциклическим фотофосфорилированием. В настоящее время исследуется, какую роль в регулировании фиксации С02 и в защите хлоропластов от повреждения слишком интенсивным светом могут играть катализируемые кислородом процессы псевдоциклического транспорта электронов и псевдоциклического фотофосфорилиро-вания.

5.5. Связь структуры и функции

Установлено, что фиксация С02 до уровня углеводов при фотосинтезе протекает в два этапа, причем световые реакции происходят в ламеллах, или тилакоидах гран хлоропластов, а темновые реакции — в строме хлоропластов. Арнон и его сотрудники доказали это в 1958 г., когда им удалось пространственно разделить световые и темновые реакции (табл. 5.2). Поставленный ими опыт

Таблица 5.2. Фиксация С02 в темноте и на свету различными компонентами хлоропласта — стромой (желтоватый матрикс) и гранами (зелеными мембранами, содержащими хлорофилл). [Trebst, Tsujimo-to, Arnon, Nature, 182, 351, (1958).I1

Фиксация 14С02. число отсчетов за минуту

Строма (в темноте)

Строма (в темноте) -f- граны (на свету)

Строма (в темноте) + АТР

Строма (в темноте) + NADPH + АТР

Юбратите внимание на одинаковые эффекты п и при добавлении NADPH + АТР, т. е. на Одннакс этих компонентов. 4 000

96 ООО

43 000

97 000

рн добавлении гран (на свету) )вую «ассимиляционную силу»

состоял в следующем. Хлоропласты освещали в отсутствие СОг, давая образовываться большому количеству NADPH и АТР с сопутствующим выделением кислорода в ходе нециклического транспорта электронов. Затем хлоропласты разрушали, строму отделяли от гран и граны отбрасывали. После этого в темноте добавляли радиоактивную С02. Ферменты стромы начинали ассимилировать углекислоту и синтезировать те же самые углеводы, которые образуются в целых хлоропластах и интактных листьях.

Эти опыты наглядно показали, что все переносчики электронов и ферменты, необходимые для образования

NADPH и АТР при циклическом и нециклическом переносе электронов на свету, связаны с мембранными структурами (тилакоидами), тогда как ферменты, непосредственно участвующие в фиксации СОг, находятся в желтоватой аморфной строме хлоропластов. Задача, стоящая перед биохимиками и специалистами по электронной микроскопии, в том, чтобы более точно локализовать переносчики электронов в мембранах (см. рис. 5.2, Б и рис. 8.1).

6. Фиксация двуокиси углерода

В предыдущей главе мы выяснили, что NADPH и АТР являются продуктами световых реакций фотосинтеза. Далее происходят темновые процессы фиксации СО2, в которых используется «ассимиляционная сила» молекул NADPH и АТР. В этой главе мы рассмотрим некоторые подробности реакций, связанных с восстановлением СО2 до уровня углеводов. Кальвин и его сотрудники, работавшие над решением этих вопросов с 1946 г., предложили настолько удачную методику эксперимента и столь точно установили механизмы реакций, что анализ их данных приобрел очень важное значение для современной биологии в целом. За работу по выяснению пути углерода при фотосинтезе Кальвин получил в 1961 г. Нобелевскую премию по химии.

6.1. Техника эксперимента

Опыты по изучению пути фиксации СО2 при фотосинтезе удалось провести благодаря использованию долгожи-вущего изотопа углерода 14С, появившегося в лабораториях с 1945 г., и применению двумерной хроматографии на бумаге, разработанной несколькими годами ранее. Фиксацию С02 изучали у одноклеточных зеленых водорослей Chlorella и Scenedesmus. Выбор объекта объясняется тем, что, с одной стороны, эти организмы по своим биохимическим свойствам очень похожи на высшие зеленые растения и с другой — их можно выращивать в одинаковых, стандартных условиях, а при проведении опытов с кратковременной фиксацией углекислоты клетки можно очень быстро убивать.

В итоге работ Кальвина был постулирован детальный цикл реакций превращения углекислоты. Необходимые данные были получены в результате опытов трех типов.

а) Фотосинтезирующие водоросли помещали в среду, содержащую 14С02, на разные .промежутки времени

и прослеживали включение радиоактивности в различные соединения. При очень кратковременной инкубации радиоактивность должна была обнаруживаться только в первичных продуктах обмена. В результате было установлено, что фосфоглицериновая кислота (ФГК) является первичным продуктом карбоксилирования. В конечные продукты фиксации, например в сахарозу, радиоактивность включалась гораздо медленнее.

б) Определяли положение радиоактивного изотопа

(14С) в молекулах меченых соединений. Таким путем

удалось выяснить подробности взаимопревращения сахарофосфатов при регенерации специфического сахарофосфата, акцептирующего молекулу 14С02, что помогло

выявить механизмы синтеза Сахаров и других соединений.

в) Для того чтобы проверить, действительно ли промежуточные продукты реакций ведут себя соответственно предсказанию, исследователи изменяли внешние условия— включали и выключали свет, в широких пределах изменяли концентрацию С02 и т. п.

Техника эксперимента проиллюстрирована на рис. 6.1, 6.2 и 6.3. На рис. 6.1 приведено схематическое изображение аппарата для получения экстрактов из воУправляемый соленоидом клапан для быстрого отбора образцов

Воронка,через которую доливают суспензию клеток водорослей

Шприц для

^ внесения

н14со3

Рис. 6.1. Схема аппарата для изучения фиксации ,4СС>2 фотосннте-зиругощими водорослями, предложенная Кальвином и Бассэмом

в 1962 г.

Клетки водорослей, несущие метку 1Хроматографическая бумага

Высушивание

и поворот

на 90°

Обработка растворителем (фенол: Нг0 в соотношении 72:28)

Обработка растворите-лем(водный бутанол:про-пионовая кислота в соотношении!:!)

В

Пленку в контакте с хроматограммой хранят в темноте

окбло двух недель

Фотопленку, чувствительную к рентгеновским лучам, накладывают на хро-матограмму, чтобы зарегистрировать пятна,содер-жащие

Счетчик радиоактивности прикладывается к пятну на хроматограсри-ческой бумаге

Рис. 6.2. Обнаружение продуктов фиксации 14С02 водорослями кратковременном освещении. Используются хроматография на

маге и радиоавтография.

при буПосле 5с фотосинтеза

После 15 с фотосинтеза

Исходное положе-i ние экстракта г^т~

ГЛ-^

ФГК

.Дифосфаты . -—Гексозо- -монофосфатыо

О Триозофосфат

_ Яблочная кислота

Рис. 6.3. Радиоавтограммы продуктов фотосинтеза водорослей, фиксировавших 14СО^ в течение коротких промежутков времени.

дорослей, использующих при фотосинтезе радиоактивно меченную углекислоту 14С02. Водоросли суспендируют в питательной среде, значение рН в которой поддерживается постоянным. Через суспензию водорослей продувают воздух и СО2. Управляемый клапан позволяет быстро сливать определенные объемы суспензии клеток в метанол, под действием которого все последующие биохимические превращения блокируются. На рис. 6.2 показана дальнейшая работа с инактивированными водорослями. Экстракт из убитых водорослей концентрируют под вакуумом и после этого наносят непосредственно на хро-матографическую бумагу. Используя разные растворители, хроматографию проводят в двух направлениях так, что исходная смесь веществ движется по бумаге сначала в одном направлении, а затем в другом, перпендикулярном первому (двумерная хроматография). В результате анализируемая смесь делится на компоненты. Затем измеряют радиоактивность пятен, соответствующих различным соединениям. Расположение пятен устанавливают, исходя из радиоавтограмм, схематически показанных на рис. 6.3. Две радиоавтограммы, приведенные на рис. 6.3, показывают, какие соединения из экстракта клеток Chlorella содержат 14С после того, как фотосинтез продолжался 5 и 15 с. .Очевидно, что ФГК, триозофосфат и сахарофосфаты образуются очень быстро, тогда как сахароза, органические кислоты и аминокислоты формируются при более длительном фотосинтезе. Видно, что совместное использование радиоактивной С02 и метода двумерной хроматографии является очень чувствительным способом для обнаружения продуктов фотосинтеза и определения их количества.

6.2. Углеродный цикл при фотосинтезе (цикл Кальвина)

Фиксацию СО2 и ее восстановление до уровня Сахаров (или других соединений) можно рассматривать как процесс, состоящий из четырех отдельных стадий, показанных на рис. 6.4 и 6.5.

I. Стадия карбоксилирования. Считается, что на этой стадии происходит реакция присоединения С02 к

6

NADPH

6 АТР

©

(Сз)

3 С02 РуБФ (С5) 6 ФГА

s—X /

@

3 АТР — РуФ (С5)

<С3) ^ > ]

ФГА

\

5-углеродному сахару, рибулозобисфосфату, приводящая к образованию двух молекул фосфоглицериновой кислоты:

СНаОР

I

С=0 СН2ОР СН2ОР

*rr\ I I Фермент | |

си2 + снон + Н20 * снон + СНОН (5 ])

I I I

снон *соон соон

1

СН2ОР

Рибулозобисфосфат 2 Фосфоглнцериновая

(РуБф) кислота (ФКГ)

Эта реакция катализируется ферментом рибулозобис-фосфат-карбоксилазой, называемым также карбоксидис-мутазой, или белком фракции I.

Данные, .подтверждающие правильность уравнения (6.1), отчетливо показаны на рис. 6.6. При освещении фотосинтезирующих клеток концентрация РуБФ и ФГК в этих клетках увеличивается до определенного уровня, называемого «стационарным состоян

страница 12
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Скачать книгу "Фотосинтез" (1.36Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(15.09.2019)