Фотосинтез С3 и С4 растений механизмы и регуляция - Эдвардс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Аллостерические ферменты с кооперативной кинетикой могут терять свои регуляторные свойства (например, в процессе очистки, при изменении температуры, pH и т. д.), но сохранять при этом свои каталитические свойства и давать типичную кинетику Михаэлиса — Ментен. Отсутствие аллостерического контроля или «S-образной кинетической кривой не может служить строгим доказательством того, что фермент полностью утратил способность к такого рода регуляции.
Сочетание аллостерического контроля с немихаэлисовой кинетикой обеспечивает максимальную степень регуляции эффек-
торами при лимитирующей концентрации субстрата. Vmax для ФЕП-карбоксилазы у С4-растений в несколько раз выше, чем наблюдаемая скорость фотосинтеза в листе, In vivo содержание ФЕП, вероятно, лимитирует скорость реакции, а это создает все условия для оптимальной регуляции аллостерическими эффекторами.
В случае ФЕП-карбоксилазы из С4-растений максимальная регуляция фермента аспартатом, малатом и глюкозо-6-фосфа-том наблюдается при сравнительно низких значениях pH и при низкой концентрации Mg2+ (столь же низкой, как концентрация ФЕП). In vivo активность ФЕП-карбоксилазы контролируется величиной pH, уровнем Mg2+, ФЕП, С4-кислот и глюкозо-6-фос-фата. Скорость использования С4-кислот для передачи углерода в ВПФ-цикл в свою очередь может влиять на карбоксилирова-иие в С4-цикле, вызывая ингибирование ФЕП-карбоксилазы по типу обратной связи. Глюкозо-6-фосфат является ключевым метаболитом глюконеогенеза, ведущего к синтезу сахарозы, крахмала и других макромолекул. В клетках мезофилла С4-растений ФЕП может использоваться как для синтеза глюкозо-6-фосфата, так и для образования С4-кислот. Активация ФЕП-карбоксилазы под действием глюкозо-6-фосфата может препятствовать утечке углерода из С4-цикла, обусловленной превращением ФЕП в глюкозо-6-фосфат,
ФЕП-карбоксилаза обычно встречается у всех растений, но активность этого фермента в листьях С4- и CAM-растений во много раз выше, чем у Сз-растений. Кинетические константы этого фермента для ФЕП и Mg2+ варьируют в зависимости от его источника (Сз-растения, С4-растения, CAM-растения, нефотосинтезирующие ткани).
При рассмотрении различных карбоксилаз важно, во-первых, в какой форме фиксируется неорганический углерод (НС03~ илн свободная СО2) и, во-вторых, какова величина Ям для этого субстрата, Это имеет особое значение для тех работ, в которых сравнивают Сз- и С4-фотосинтез или рассматривают роль ФЕП-карбоксилазы и РуБФ-карбоксилазы в первичной фиксации атмосферной СОг. Все эти вопросы обсуждаются в гл, 14.
г) Регуляция декарбоксилирующих, ферментов
Для активации всех трех ферментов, которые декарбоксили-руют С4-кислоты, необходимы двухвалентные катионы: для NADP-МДГ Mg2+ ял и Мп2+, для NAD-МДГ Мп2+ и для ФЕП-карбоксикиназы Мп2+, а еще лучше Mn2++Mg2+. Декарбоксилирование, катализируемое NADP- или NAD-МДГ, подавляется бикарбонатом (не исключено, что активной формой является
СОг). Это позволяет регулировать активность Сгдикла in vivo.
Высокая [С02] в Ингибирует де- Увеличивает коп- Ингибирует
клетках обкладки -> карбоксилирова- -> цептрацию Ci-kiic-ФЕП-кар-
проводящих пуч- ние и образование лот бокснлазу
ков Са-предшествсн-
ипка
Такой цикл должен функционировать со скоростью, достаточной для поддержания повышенной [С02] в клетках обкладки проводящих пучков, Излишне высокая скорость этого процесса может привести к значительной потере СО2 и к непроизводительному расходу энергии. Дополнительный контроль цикла возможен на уровне NADP-МДГ, поскольку этот фермент ингибируется продуктами декарбоксилирования (пируватом и NADPIT). Относительная концентрация NADP+ и NADPH тоже регулирует активность этого фермента. Декарбокснлирование с участием NADP-МДГ зависит ,от восстановительной фазы фотосинтеза, которая обеспечивает регенерацию образующегося NADP+.
Малат + NADP+ ---->- Пируват + NADPH Н+ + С02 (12.1)
РуБФ С08 -----------------------------------v 2ФГК (12.2)
2ФГК ----->- 2 (1,3-ДФГК) ------------------------------>- 2 Триозофосфат (12.3)
2АТР ----------------------------------* 2ADP 2NADPH + 2Н+ --v 2NADP+
Для восстановления ФГК в ВПФ-цикле необходимо в 2 раза больше NADPH, чем его образуется в результате декарбоксилирования малата. Это гарантирует постоянную доступность NADP1- для декарбоксилирующего фермента. Хлоропласты обкладки проводящих пучков у NADP-МДГ-растений характеризуются низким уровнем нециклического переноса электронов (разд. 11.7). Чрезмерно большой фотохимический потенциал образования NADPH в таких клетках был бы невыгоден из-за конкуренции за NADP+ с МДГ (декарбоксилирующей) и в конечном итоге ограничения декарбоксилирования.
NAD-МДГ (декарбоксилирующая) (из Atriplex spongiosa и Amaranthus edtilis) обладает аллостерическими свойствами и проявляет кинетическую кооперативное^, при этом положительными эффекторами фермента служат ацетил-СоА, Со А и фруктозо-1,6-бисфосфат, а отрицательным эффектором является НС03~. В обычных условиях пируват метаболизируется до аце-тил-Со A-f-СОг в ЦТК. После этого ацетил-СоА и оксалоацетат соединяются вместе с образованием изоцитрата. Это может привести к тому, что метаболиты С^цикла полностью окислятся в ходе дыхания. Здесь существенно то, что NAD-МДГ (декарбоксилирующая) активируется ацетил-СоА, а это способствует обращению цикла вспять (Оксалоацетат1—>-Малат) и, кроме того,
