Фотосинтез С3 и С4 растений механизмы и регуляция - Эдвардс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
часть всей двуокиси углерода, фиксируемой Сз-растениями на свету.
В растворе СОг подвергается гидратации с образованием угольной кислоты:
С03 + НаО НяС03 ш + НС03- (8.1)
Эта реакция катализируется различными неорганическими ионами, например ортофосфатом, и фермечтом карбоангидразой (карбопат-дегидратазой). В какой именно молекулярной форме используется С02, определить не просто. Купер с сотрудниками проводили опыты с РуБФ-карбоксилазой, в которых они сравнивали фиксацию С02 в реакционных смесях, содержащих либо Н14С0з~+12С02, либо Н12СОз“+иСС>2. Они пришли к выводу, что в этой реакции используется именно С02, а не бикарбонат. [Напротив, в реакции, катализируемой ФЕП-карбоксила-зой, используется бикарбонат, а не С02 (разд. 14.4).] Пуансело установил, что иитактные хлоропласты используют ЫСС33~ значительно быстрее, чем С02. Вместе с тем Бердан н Хельдт обнаружили, что накопление бикарбоната внутри хлоропластов согласуется с градиентом pH и их оболочке и с уравнением Геидерсоиа — Хассельбаха, которое выражает зависимость распределения ионных форм С02 от преобладающего значения pH. Эти авторы пришли к заключению, что подобное поведение обусловлено быстрым и свободным движением С02 (тогда как движение ионов бикарбоната ограничено), как видно из уравнения (8.2):
Оболочка
Среда Хлоропласт
нсо., +н1 ^н2о +со3 - cOj + HjOrfHCo; +нг
Далее, Хебер и Пурцзельд показали, что бикарбонат вызывает необратимое осмотическое сжатие хлоропластов (а это говорит об отсутствии свободного проникновения ионов). Кроме того, им удалось подтвердить данные Вердена и его сотрудников относительно того, что карбоангидраза ведет себя как «защищенный» фермент (иитактные хлоропласты почти не ускоряли гидратацию С02, тогда как ее скорость резко возрастала в смесях, содержащих хлоропласты с разрушенными оболочками).
Роль, которую карбоангидраза играет в строме хлоропластов, остается непонятной. Не исключено, что этот фермент облегчает транспорт С02 внутрь самой стромы, благодаря чему там накапливается большое количество бикарбоната [при pH
8,0, т. е. при pH стромы освещенных хлоропластов (разд. 5.9) 98% общего количества С02 находится в форме бикарбоната]:
С02(2%) -S=-C02(2%)
(8.3)
НСО; (98%)' ^ > HCOJ (98%)
С02 и бикарбонат диффундируют со скоростью, пропорциональной их концентрации, и, хотя РуБФ-карбоксилаза использует только С02, высокое содержание бикарбоната в строме ускоряет транспорт двуокиси углерода.
Источники данных: [13, 14, 21, 30, 34, 44, 51, 54, 61, 65].
8.13. Триозофосфат и 3-фосфоглицерат (ФГК)
Интактные хлоропласты начинают быстро выделять кислород, если добавить ФГК в отсутствие С02 (рис. 8.14). Следовательно, ФГК может играть роль окислителя Хилла в суммарной реакции:
Н,Оч ,NADP х ^ФГЛ+ADP + P;
' Y
1o/vnadph/
Кроме того, она должна для этого поступать в хлоропласт со скоростью, соизмеримой со скоростью выделения кислорода. ФГК и оба триозофосфата [фосфоглицериновый альдегид (ФГА) и дигидроксиацетонфосфат] сокращают индукционный период и снимают ингибирующее действие ортофосфата (разд. 7.11 и 7.12). На основании этого наблюдения Хельдт и его сотрудники провели прямые измерения (разд. 8.5), которые позволили сформулировать гипотезу о переносчике ортофосфата в ее современном виде (разд. 7.12 и 8.23). Транспорт всех трех соединений осуществляется при помощи переносчика со скоростями, не уступающими максимальной скорости фотосинтеза или даже превосходящими ее.
Источники данных: [6, 32, 55, 56].
8.14. Ортофосфат и неорганический пирофосфат
Если скорость фотосинтеза в изолированных хлоропластах падает в результате истощения запасов ортофосфата, то ее можно быстро восстановить за счет экзогенного ортофосфата. При этом для того, чтобы С02-зависимое выделение кислорода вновь достигло относительно высокого уровня, достаточно до-
(5.4) ФГК+АТР
Рис. 8.15. Реакция изолированных хлоропластов шпината на экзогенный фосфат. С самого начала реакционные смеси не содержали ортофосфата, но его эндогенная концентрация была достаточно высока для осуществления заметного фотосиитетического выделения СОг, которое затем снижалось (по мере потребления ортофосфата из стромы хлоропластов) до уровня, соответствующего синтезу крахмала. При внесении экзогенного ортофосфата фотосинтез восстанавливался со стехиометрией порядка трех молекул выделяемого кислорода на одну молекулу добавленного ортофосфата. [Такая стехиометрия согласуется с суммарным уравнением реакции (РН-ЗС02+2Н20~>Триозофос-фат+302) и с результатами опытов с использованием 14С п 32Р, которые свидетельствуют о том, что основными продуктами кратковременного фотосинтеза в интактных хлоропластах являются триозофосфаты,] Неорганический пирофосфат не дает эффекта в отсутствие ионов магния, но в их присутствии подвергается экзогенному гидролизу под действием ппрофосфатазы стромы, которая выделяется из разрушенных хлоропластов (см. рис. 8.17; Walker, I-Ierold, 1977).
