Фотосинтез С3 и С4 растений механизмы и регуляция - Эдвардс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
концентраций С02 и IiC03- в равновесие, в результате чего ко-нечная концентрация НС03- достигает 331 мкМ. Диффузия С02 или НСОз- в хлоропласты и внутри них происходит по градиенту, от более высокой концентрации к более низкой (нет никаких данных об активном транспорте). Диффузия зависит от градиента концентрации и от коэффициента диффузии для этих молекул. Поскольку концентрация НС03~ примерно в 45 раз выше, чем концентрация С02, для диффузии !НС03- создается большой потенциал. Однако, поскольку молекула НСОз- имеет заряд, сопротивление диффузии для ее проникновения через оболочку хлоропласта гораздо выше, чем для свободной С02. Быстрое приведение С02 в равновесие с НС03- в присутствии карбоангидразы в цитозоле или внутри хлоропласта может во многом облегчать диффузию этих соединений в соответствующие компартменты клетки. Кроме того, это предотвращает также локальное истощение С02 в хлоропласте в процессе фотосинтеза (разд. 8.12, рис. 14.4). С улучшением методов определения для /См(С02) РуБФ-карбоксилазы получали все меньшие значения (разд. 6.5). Последние цифры близки к 10 мкМ (в атмосфере N2); они приблизительно соответствуют величине растворимости 0,0325% С02 при 30“'С. В настоящее время проблемы, касающиеся РуБФ-карбоксилазы, связаны уже не с ее сродством к С02 или максимальной активностью (Ушах), а скорее всего с тем, что 02, как это было показано, является конкурентным ингибитором фермента (разд. 13.3).
Точные значения Кщсо ) и /Сцог) (соответственно концентрация С02, необходимая для достижения полумаксимальной активности, и кинетическая константа, характеризующая ингибирующее действие 02) для РуБФ-карбоксилазы неизвестны. Минимальные значения /(м(Юа) варьируют от 6 до 16 мкМ, а минимальные величины Кцо?,) лежат в пределах от 200 до 400 мкМ. Обе эти константы близки по величине к растворимости данных газов в воде при нормальном их содержании в атмосфере. Как уже обсуждалось в гл. 13, 02 является и конкурентным ингибитором РуБФ-карбоксилазы, и субстратом этого фермента, если учесть, что РуБФ-карбоксилаза может выполнять функции и РуБФ-оксигеназы. Для того чтобы связать кинетические константы карбоксилазы с интенсивностью фотосинтеза в листьях, следует проанализировать кинетику фотосинтеза в листе в зависимости от [С02]. При таком анализе следует учитывать ряд факторов, которые определяют интенсивность фотосинтеза в листе: сопротивление пограничного слоя; сопротивление устьиц (так, например, сопротивление устьиц часто возрастает при увеличении концентрации С02 в атмосфере); фотодыхаиие, в результате которого углекислотная кривая фотосинтеза пересекается с осью абсцисс не в нулевой точке, а в углекислотном ком-
пенсационном пункте (Г); сопротивление переносу С02 через водную фазу фотосинтезирующей ткани и возможное лимитирование фотохимических процессов при высокой концентрации СОг. Ни одни из этих факторов не действует на карбоксил азу при ее определении in vitro. Для того чтобы оценить величину /См(соа) для РуБФ-карбоксилазы in vivo можно использовать следующую процедуру.
а) Получите углекислотную кривую в атмосфере, содержащей 2% 02. В этих условиях подавляется фотодыхание и Г смещается почти к нулю.
б) Постройте график зависимости скорости фотосинтеза от рассчитанной концентрации СОг, растворенной на поверхности клеток мезофилла. Для этого нужно определить внутриклеточную [СОг] и измерить температуру листа. При любом значении [С02] в окружающей среде [С02] в межклеточном пространстве листа, в непосредственной близости к клеткам мезофилла, можно рассчитать но методу Гаастры (Gaastra, 1959):
[С02]ЕИутр = [С02]иаруЖН НФС (га -|- rs) (14.2)
где [С02] ,mpyHm= [С02] в окружающем воздухе, НФС —скорость наблюдаемого фотосинтеза, га — сопротивление пограничного слоя для диффузии С02 и rs— сопротивление устьиц для диффузии С02.
Эти четыре параметра можно измерить при любом значении [С02] нарунш (разд. 14.6) и затем рассчитать [С02] внутр. Из уравнения
НФС = ^взТиаружн— [ССЦхп (14 31
Гй -b rs -1- гт ' ' 1
можно вывести уравнение
НФС = 1^в^наРУжн [С021пиутр ____ [СОа]цнутр—~ [С03]хп ^ j 4 4^
гв. 4" r S гп\
где [С02]хп= [СОг] в хлоропласте, a rm — сопротивление мезофилла.
в) Постройте график обратных величин (зависимость 1/ИФС от 1/([С02]—Г)) для определения величины Кж{С,о%) (см. также разд. 13.10).
Эксперимент подобного рода, проведенный при 30 °С с растениями пшеницы, иллюстрирует рис. 14.5, А, Б. В этом случае /См(со2)—5 мкМ, что соответствует концентрации С02 в межклеточном пространстве приблизительно 190 м. д. Нарушения линейности на графике двойных обратных величин наблюдаются только при высокой [С02], в результате чего экспериментальные значения Vmax (рис. 14.5, А) становятся ниже, чем расчетная величина Кшах (рис. 14.5,Б). Это может быть связано с ка-
кими-то фотохимическими ограничениями, о которых уже говорилось, когда мы сходным образом анализировали процессы, происходящие в хлоропластах. Во всяком случае, любое сопротивление переносу СОг (сопротивление диффузии С02 через водную фазу), по-видимому, не является существенным'фактором, иначе Д'м(соа) была бы еще меньше, чем считают в .настоящее время. Если такие эксперименты провести при различных концентрациях 02 и построить график зависимости 1/НФС от 1/([С02]— Г) [где в разности ([С02]—Г) учитывается вклад фотодыхания (разд. 13.10], то можно определить величину Кцоя) и оценить увеличение кажущейся Кмкаж(С02) под' влиянием 02. Из такого рода опытов вытекает, что Кцо2) близка к 200 мкМ (разд. 13.10). В присутствии 21% 02 кажущаяся
