Выход из цикла кальвина: Ошибка! Страница не найдена, код ошибки 404

Темновая стадия фотосинтеза. Природа первичного акцептора углекислого газа. Цикл Кальвина.

Темновая фаза фотосинтеза – это комплекс ферментативных реакций, во время которой происходит восстановление поглощенного углекислого газа за счет продуктов световой фазы (АТФ и НАДФН). Различают несколько циклов восстановления СО2. Цикл Кальвина. Этот способ ассимиляции СО2 является основным и присущ всем растениям. Он был расшифрован американскими учеными во главе с М. Кальвином. В 1961 году М. Кальвину за установление последовательности реакций в этом цикле и была присуждена Нобелевская премия. Этот цикл начинается с присоединения СО2 к акцептору – пятиуглеродному сахару рибулозо-1,5-дифосфату (РДФ). Присоединение СО2 к тому или ионному веществу называется карбоксилированием, а фермент катализирующий такую реакцию – карбоксилазой. В данной реакции карбоксилирование происходит с участием фер-мента рибулозодифосфаткарбоксилазы (РДФ-карбоксилаза). Это самый распространенный в мире фермент. Продукт реакции, содержащий 6 атомов углерода, в присутствии воды сразу распадается на две молекулы 3-фосфоглицириновой кислоты (3-ФГК). С данной реакции и начинается цикл Кальвина. ФГК и является, по современным взглядам, первичным продуктом ассимиляции углерода. Для дальнейших превращений ФГК необходимы вещества световой фазы фотосинтеза: АТФ и НАДФН. Сначала 3-ФГК фосфорилируется при участии АТФ и образуется 1,3-дифосфоглицириновая кислота. Реакция катализируется ферментом фосфоглицераткиназой. Затем происходит восстановление за счет НАДФН и образуется фосфоглицириновый альдегид ФГА. Суммарный результат второй стадии: восстановление карбоксиль-ной группы кислоты (–СООН) до альдегидной (–СНО). Процесс превращения катализируется дегидрогеназой фосфоглициринового альдегида. Дальнейшее превращение фосфоглициринового альдегида может происходить 4 путями. ФГА частично с помощью триозофосфатизомеразы превращается в фосфодиоксиацетон (ФДА). Это первый путь превращения ФГА. Таким образом, в клетку поступают две найпростейшие формы сахаров: альдоза (ФГА) и кетоза (ФДА). Это трехуглеродные сахара (триозосахара) с присоединенной к ним фосфатной группой содержат больше химической энергии, чем ФГК. Это первые углеводы, которые образуются при фотосинтезе. С помощью альдолазы фосфодиоксиацетон (ФДА) соединяется с другой молекулой ФГА и образуется молекула фруктозо-1,6-дифосфата (ФДФ). Это второй путь превращения ФГА. Фруктозо-1,6-дифосфат дефосфорилируется и превращается во фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф), что сопровождается накоплением в среде неорганического фосфата. Фруктозо-6-фосфат в дальнейшем может выйти из цикла и использоваться для синтеза запасных форм углеводов: сахарозы, крахмала, других полисахаридов. Однако ФГА (третий путь) может реагировать с эквимолярным ко-личеством Ф-6-Ф, в результате образуются равные количества ксилуло-зо-5-фосфата и эритрозо-4-фосфата (транскетолаза). Затем эритрозо-4-фосфат реагирует с равным количеством ФДА и образуется седагептуло-зо-1,7-дифосфат (альдолаза), которая фосфорилируется до седагептуло-зо-7-фосфата с участием седагептулозодифосфатазы. Четвертый путь превращения ФГА связан с его реакцией с седагеп-тулозо-7-фосфатом с образованием равных (эквимолярных) количеств рибозо-5-фосфата и ксилулозо-5-фосфата. Ксилулозо-5-фосфат эпимиризуется, а рибозо-5-фосфат изомерезуется до рибулозо-5-фосфата, последняя фосфорилируется за счет АТФ и образуется рибулозо-1,5-дифосфат – первичное соединение цикла Кальвина (акцептор СО2). В этих реакциях тратится еще три молекулы АТФ. Из приведенных реакций цикла Кальвина видно, что фотосинтез, являясь процессом запасания энергии, тем не менее, для своего существования требует затраты энергии. В цикле Кальвина образование фруктозо-6-фосфата можно представить в виде следующего суммарного выражения: 6СО2 + 12НАДФН + 12Н+ + 18АТФ + 11Н2О → фруктозо-6-фосфат + 12НАДФ+ + 18АДФ + 17Фн. Цикл Кальвина подразделяют на три фазы: – карбоксилирующую РДФ + СО2 → 2ФГК; – восстановительную ФГК → ФГА; – регинирующую ФГА → РДФ. Каждая шестая молекула ФГА выходит из цикла и используется на синтез сахарозы или полисахаров, тогда как остальные 5 молекул через приведенные выше промежуточные реакции преобразуются в три молекулы рибулозо-1,5-дифосфата. Так как первичный продукт цикла Кальвина – ФГК – содержит три атома углерода, то этот цикл получил название С3-цикла ассимиляции СО2. Упрощенную схему цикла можно представить в виде:

Какие процессы происходят в темновую фазу фотосинтеза: цикл Кальвина схема

Цикл Кальвина

Восстановительный пентозофосфатный цикл, или цикл Кальвина, — серия биохимических реакций, осуществляемая при фотосинтезерастениями (в стромехлоропластов), цианобактериями, прохлорофитами и пурпурными бактериями, а также многими бактериями-хемосинтетиками, является наиболее распространённым из механизмов автотрофной фиксации CO2.

Цикл Кальвина назван в честь американского биохимика Мелвина Кальвина (1911—1997). Часто используются альтернативные названия, указывающие на роль коллег Кальвина в открытии данного биохимического пути (например: цикл Кальвина-Бенсона или цикл Кальвина-Бенсона-Бассама).

Стадии

В цикл вовлекаются АТФ и НАДФ·Н, образованные в ЭТЦ фотосинтеза, углекислый газ и вода; основным продуктом является глицеральдегид-3-фосфат.

Поскольку АТФ и НАДФ·Н могут образовываться в разных метаболических путях, цикл не следует рассматривать строго привязанным к световой фазе фотосинтеза.

Общий баланс реакций цикла можно представить уравнением:

3 CO2 + 6 НАДФ·Н + 5 h3O + 9 АТФ → C3H7O3-PO3 + 3 H+ + 6 НАДФ+ + 9 АДФ + 8 Фн + 3 h3O

Две молекулы глицеральдегид-3-фосфата используются для синтеза глюкозы.

Цикл состоит из трёх стадий: на первой под действием ферментарибулозобисфосфат-карбоксилаза/оксигеназа происходит присоединение CO2 к рибулозо-1,5-дифосфату и расщепление полученной гексозы на две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК). На второй 3-ФГК восстанавливается до глицеральдегид-3-фосфата (фосфоглицеральдегида, ФГА), часть молекул которого выходит из цикла для синтеза глюкозы, а другая часть используется в третьей стадии для регенерации рибулозо-1,5-дифосфата.

Карбоксилирование

Карбоксилированиерибулозо-1,5-бисфосфата (5-углеродное соединение) осуществляется РиБисКО в несколько стадий.

На первой кетонная группа рибулозы восстанавливается до спиртовой, между 2 и 3 атомами углерода устанавливается двойная связь. Полученное соединение нестабильно и именно оно карбоксилируется с образованием 2-карбокси-3-кето-D-арабитол-1,5-бисфосфата. Его структурный аналог 2-карбокси-D-арабитол-1,5-бисфосфат ингибирует весь процесс.

Новое, уже 6-углеродное соединение, также нестабильно и распадается на две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (3-фосфоглицерат, 3-ФГК).

Восстановление

Восстановление 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК) происходит в две реакции.

Сначала каждая 3-ФГК с помощью 3-фосфоглицераткиназы и с затратой одной АТФ фосфорилируется, образуя 1,3-бисфосфоглицериновую кислоту (1,3-бисфосфоглицерат).

Затем под действием глицеральдегид-1,3-фосфатдегидрогеназы бисфосфоглицериновая кислота восстанавливается НАД(Ф)·H (у растений и цианобактерий; у пурпурных и зелёных бактерий восстановителем является НАД·H) параллельно с отщеплением одного остатка фосфорной кислоты.

Образуется глицеральдегид-3-фосфат (фосфоглицеральдегид, ФГА, триозофосфат). Обе реакции обратимы.

Регенерация

На последней стадии 5 молекул глицеральдегид-3-фосфатов превращаются в три молекулы рибулозо-1,5-бисфосфата.

Вначале под действием трифосфат-изомеразы глицеральдегид-3-фосфат изомеризуется в дигидроксиацетон-фосфат. Фруктозабисфосфат-альдолаза объединяет их во фруктозо-6-фосфат с отщеплением остатка фосфорной кислоты.

Затем следует ряд реакций перестройки углеродных скелетов и образуется рибулозо-5-фосфат. Он фосфорилируется фосфорибулокиназой и рибулозо-1,5-бисфосфат регенерирует.[

источник не указан 2801 день]

Открытие

С 1940-х гг. Мелвин Кальвин работал над проблемой фотосинтеза; к 1957 с помощью CO2, меченного по углероду, выяснил химизм усвоения растениями CO2 (восстановительный карбоновый цикл Кальвина) при фотосинтезе. Нобелевская премия по химии (1961).

Схема цикла.

Чёрные кружки — атомы углерода, красные — кислорода, фиолетовые — фосфора, маленькие чёрные окружности — атомы водорода

CC© wikiredia.ru

За световой фазой следует темновая фаза фотосинтеза, во время которой происходит синтез моносахаридов (глюкозы) из углекислого газа с затратой энергии АТФ и восстановительных эквивалентов (НАДФН). Синтез глюкозы является результатом целого ряда последовательных ферментативных реакций, которые назвали циклом Кальвина.

Как было сказано ранее в разделе «Кислородный этап энергетического обмена», в цикле Кребса в митохондриях от молекул органических кислот отрываются молекулы углекислого газа (CO2), промежуточные продукты цикла последовательно окисляются, отрываемые от них атомы водорода присоединяются к НАД+ (т.е. образуется НАДН). В цикле Кальвина происходит все наоборот, к молекулам субстрата присоединяется молекулы углекислого газа (СО2), и они восстанавливаются за счет НАДФН (т.е образуется НАДФ+).

Началом синтеза глюкозы является присоединение молекулы углекислого газа к молекуле пятиуглеродного сахара – рибулозо-1,5-бисфосфата.

При этом образуется шестиуглеродная молекула, которая сразу же распадается на две молекулы трехуглеродной фосфоглицериновой кислоты, которая восстанавливается до трехуглеродных сахаров с затратой АТФ и НАДФН. В результате их дальнейших перестроек и конденсаций образуются рибулозомонофосфат и глюкоза — конечный продукт фотосинтеза. Рибулозомонофосфат фосфорилируется АТФ до рибулозобисфостата, который вновь вступает в цикл Кальвина.

На образование одной молекулы глюкозызатрачивается 18 молекул АТФ и 12 молекул НАДФН, накопленных в процессе световой фазы фотосинтеза.

Какие основные процессы происходят в темновую фазу фотосинтеза?

Следовательно, для темновой фазы фотосинтеза можно представить следующее общее уравнение:

6СО2 + 12НАДФН + 12Н+ + 18АТФ —> С6Н12О6 + 6Н2О + 12НАДФ+ + 18АДФ + 18Фн

Даже если учесть частичные потери энергии на различных стадиях темновой фазы, общий КПД фотосинтеза остается очень высоким и составляет приблизительно 60%.

У некоторых растений (например, сахарного тростника или кукурузы) процесс фотосинтеза идет вначале не через трехуглеродные, а через четырехуглеродные соединения.

Эти растения называются С4-растениями. В отличие от С3-растений им характерен быстрый рост и высокая эффективность фотосинтеза, который протекает даже при очень низких концентрациях углекислого газа. В этом случае углекислый газ присоединяется не к рибулозобисфосфату, а к одному из промежуточных продуктов гликолиза – фосфоенолпирувату.

В результате образуются четырехуглеродные яблочная или аспарагиновая кислоты, которые диффундируют в клетки обкладки сосудистых пучков, где от них отщепляется СО2, вступая в цикл Кальвина.

В этих клетках слабо выражено фотодыхание, связанное с окислением рибулозобисфосфата кислородом, поэтому энергозатраты на фотосинтез резко снижаются (на 50%).

В последние годы благодаря необычайно высокой биологической продуктивности С4-растения привлекают внимание ученых как потенциальный источник органического сырья.

Темновая фаза фотосинтеза

Темновая фаза фотосинтеза – это комплекс ферментативных реакций, во время которой происходит восстановление поглощенного углекислого газа за счет продуктов световой фазы (АТФ и НАДФН). Различают несколько циклов восстановления СО2.

Цикл Кальвина.

Этот способ ассимиляции СО2 является основным и присущ всем растениям. Он был расшифрован американскими учеными во главе с М. Кальвином. В 1961 году М. Кальвину за установление последовательности реакций в этом цикле и была присуждена Нобелевская премия.

Этот цикл начинается с присоединения СО2 к акцептору – пятиуглеродному сахару рибулозо-1,5-дифосфату (РДФ).

Присоединение СО2 к тому или ионному веществу называется карбоксилированием, а фермент катализирующий такую реакцию – карбоксилазой.

В данной реакции карбоксилирование происходит с участием фермента рибулозодифосфаткарбоксилазы (РДФ-карбоксилаза).

Это самый распространенный в мире фермент.

Продукт реакции, содержащий 6 атомов углерода, в присутствии воды сразу распадается на две молекулы 3-фосфоглицириновой кислоты (3-ФГК):

С данной реакции и начинается цикл Кальвина.

ФГК и является, по современным взглядам, первичным продуктом ассимиляции углерода.

Для дальнейших превращений ФГК необходимы вещества световой фазы фотосинтеза: АТФ и НАДФН. Сначала 3-ФГК фосфорилируется при участии АТФ и образуется 1,3-дифосфоглицириновая кислота. Реакция катализируется ферментом фосфоглицераткиназой:

Затем происходит восстановление за счет НАДФН и образуется фосфоглицириновый альдегид ФГА:

Суммарный результат второй стадии: восстановление карбоксильной группы кислоты (–СООН) до альдегидной (–СНО).

Процесс превращения катализируется дегидрогеназой фосфоглициринового альдегида.

Дальнейшее превращение фосфоглициринового альдегида может происходить 4 путями.

ФГА частично с помощью триозофосфатизомеразы превращается в фосфодиоксиацетон (ФДА):

Это первый путь превращения ФГА.

Таким образом, в клетку поступают две найпростейшие формы сахаров: альдоза (ФГА) и кетоза (ФДА).

Это трехуглеродные сахара (триозосахара) с присоединенной к ним фосфатной группой содержат больше химической энергии, чем ФГК. Это первые углеводы, которые образуются при фотосинтезе.

С помощью альдолазы фосфодиоксиацетон (ФДА) соединяется с другой молекулой ФГА и образуется молекула фруктозо-1,6-дифосфата (ФДФ).

Это второй путь превращения ФГА.

Фруктозо-1,6-дифосфат дефосфорилируется и превращается во фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф), что сопровождается накоплением в среде неорганического фосфата.

Фруктозо-6-фосфат в дальнейшем может выйти из цикла и использоваться для синтеза запасных форм углеводов: сахарозы, крахмала, других полисахаридов.

Однако ФГА (третий путь) может реагировать с эквимолярным количеством Ф-6-Ф, в результате образуются равные количества ксилулозо-5-фосфата и эритрозо-4-фосфата (транскетолаза).

Затем эритрозо-4-фосфат реагирует с равным количеством ФДА и образуется седагептулозо-1,7-дифосфат (альдолаза), которая фосфорилируется до седагептулозо-7-фосфата с участием седагептулозодифосфатазы.

Четвертый путь превращения ФГА связан с его реакцией с седагептулозо-7-фосфатом с образованием равных (эквимолярных) количеств  рибозо-5-фосфата и ксилулозо-5-фосфата. Ксилулозо-5-фосфат эпимиризуется, а рибозо-5-фосфат изомерезуется до рибулозо-5-фосфата, последняя фосфорилируется за счет АТФ и образуется рибулозо-1,5-дифосфат – первичное соединение цикла Кальвина (акцептор СО2).

В этих реакциях тратится еще три молекулы АТФ.

Из приведенных реакций цикла Кальвина видно, что фотосинтез, являясь процессом запасания энергии, тем не менее, для своего существования требует затраты энергии.

В цикле Кальвина образование фруктозо-6-фосфата можно представить в виде следующего суммарного выражения:

6СО2 + 12НАДФН + 12Н+ + 18АТФ + 11Н2О →

фруктозо-6-фосфат + 12НАДФ+ + 18АДФ + 17Фн

18 молекул АТФ запасают около 140 ккал и 12 НАДФН – ~ 615 ккал.

Следовательно, поглощено около 755 ккал энергии. При этом в гексозах запасается около 670 ккал/моль. При таком балансе КПД составляет около 90 %. ~ 10 % энергии растрачивается на поддержание цикла.

АТФ и НАДФН, которые образуются в световой стадии и используются на восстановление СО2, получили название ассимиляционной силы.

Цикл Кальвина подразделяют на три фазы:

– карбоксилирующую РДФ + СО2 → 2ФГК;

– восстановительную ФГК → ФГА;

– регинирующую ФГА → РДФ.

Каждая шестая молекула ФГА выходит из цикла и используется на синтез сахарозы или полисахаров, тогда как остальные 5 молекул через приведенные выше промежуточные реакции преобразуются в три молекулы рибулозо-1,5-дифосфата.

Так как первичный продукт цикла Кальвина – ФГК –  содержит три атома углерода, то этот цикл получил название С3-цикла ассимиляции СО2. Упрощенную схему цикла можно представить в виде (рис.2.18):

Рис. 2.18. Упрощенная схема цикла Кальвина

Последовательность реакций на пути преобразования СО2 в сахар удалось выявить благодаря использованию радиоактивного углерода 14С и хромотографии на бумаге.

Описанный цикл восстановления СО2 до сахаров локализован в хлоропластах, так же как и биосинтез крахмала из образованных в них гексозофосфатов.

«Главный» же по количеству сахар, запасенный в растительной клетке – сахароза, – синтезируется уже вне хлоропласта: в слое цитоплазмы, прилегающем к наружной мембране этой органеллы. Сахароза синтезируется из Ф-6-Ф, образованной из ФГА и ФДА, которые в отличие от других сахаров цикла (пентоз и гексоз) легко транспортируются через мембраны хлоропластов.

Скорость цикла Кальвина зависит не только от количества образованных в световой стадии АТФ и НАДФН, но и от их соотношений.

Только соотношение 3АТФ и 2НАДФН обеспечивает активное восстановление углерода и запасание энергии.

Когда степень сопряжения работы ЭТЦ фотосинтеза с фотофосфорилированием мала, тогда интенсивность фотосинтеза, в первую очередь, может снизиться за счет уменьшения количества рибулозо-1,5-дифосфата, так как в этом случае будет лимитироваться фосфорилирование рибулоза-5-фосфата.

Кроме этого, в цикле при недостатке АТФ и НАДФН уменьшается возможность восстановления ФГК до триоз и поэтому одновременно со снижением интенсивности фотосинтеза среди ассимилятов (продуктов фотосинтеза) клетки увеличивается часть неуглеродных соединений.

Такое явление характерно, например, для растений, выращенных при слабом освещении.

Цикл — кальвин — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Цикл — кальвин

Cтраница 3


На рис. 23 — 21 приведены в виде сбалансированных уравнений отдельные реакции, из которых слагается цикл Кальвина. Семь этапов в этом цикле [ реакции ( 2) — ( 8) ] совпадают с этапами глюконеогенеза в животных тканях ( гл. Единственное различие заключается в том, что в процессе фотосинтеза восстановителем при образовании глицеральдегид-3 — фосфата служит не NADH, a NADPH. Остальные реакции ( рис. 23 — 21) катализируются шестью до-полнительньтми ферментами.  [32]

Современные данные о последовательности реакций темновой фазы фотосинтеза приведены на схеме 3; этот процесс известен также под названиями цикл Кальвина или восстановительный пентозофосфатный цикл.  [33]

Рядом работ показано, что у некоторых растений в первые секунды освещения фиксация и превращения С02 осуществляются не по циклу Кальвина, а другим путем. В продуктах, образующихся в листьях кукурузы в первые секунды освещения, преобладает не фосфоглицериновая кислота. Они свидетельствуют о том, что основным первичным акцептором, фиксирующим СО2 в процессе фотосинтеза, у этих растений является не рибулозодифосфат, а фосфоенолпировиноградная кислота. В результате в — карСо л санирования этой кислоты образуется щавелево-уксусная, которая быстро превращается в яблочную и аспарагино-вую кислоты.  [34]

В этом так называемом С — пути фотосинтеза или пути С-дикарбоновых кислот, сочетающем специфические особенности образования дикарбоновых кислот с циклом Кальвина, участвуют многие ферментные системы.  [35]

У всех исследованных аэробных и факультативно анаэробных хе-молитотрофов ассимиляция углекислоты в автотрофных условиях происходит в результате действия рибулезодифосфатного цикла, называемого также циклом Кальвина.  [36]

Таким образом, накопление фруктозо-1 6-дифосфата служит сигналом, выключающим процесс карбоксилирования, тогда как появление фруктозо-6 — фосфата в высоких концентрациях инициирует реакции цикла Кальвина. Отсюда следует, что функционирование цикла Кальвина, подобно реакциям глюконеогенеза ( гл. В хлоропластах этот фермент активируется светом, действие которого опосредуется восстановленным ферредоксином. Другим аспектом регуляторного процесса является активация 3-фос-фоглицератом синтеза ADP-глюкозы из глюкозо-1 — фосфата — регуляция опережающего типа ( рнс.  [37]

Предшественниками гликолевой кислоты могут быть соединения с двумя атомами С, которые образуются из фосфатов Сахаров ( фруктозо-6 — фосфат, седогептулозо-7 — фосфат) в транскетолазных реакциях цикла Кальвина. При интенсивно протекающем процессе фотоожнтеэа всегда имеется достаточное количество молекул фос-фоглицеринового альдегида, чтобы акцептировать двууглеродные фрагменты.  [38]

Вышеуказанные пути образования а превращений пентозофосфа-тов аналогичны тем, которые имеют место в адотомическом пути окисления глшозы при дыхании ( пентозофосфатный цикл), но направлены в противоположную сторону, поэтому цикл Кальвина называют восстановительным пентозофосфатным циклом.  [39]

Действительно, они содержат не только хлорофилл и другие пигменты, необходимые для поглощения световой энергии и осуществления фотохимических реакций; в них, по-видимому, присутствует также и полный набор ферментов цикла Кальвина.  [40]

Так как у тропических растений рябулозодифоефат-варбоксилаза малоактивна, то создается впечатление, что четырехуглеродные продукты фиксации С14О2 из клеток мезофилла травспортируютоя в клетки обкладки, где и лроисходит iBO / влечение С14 в цикл Кальвина и образование обычных для большинства растений углеводных продуктов фотосинтеза ( фиг.  [41]

Продукты этих реакций — шесть молекул пентоз, из них четыре молекулы ксилулозо-5 — фосфата и две молекулы рибозы-5 — фосфата изомеризуются при действии ферментов соответственно эпимеразы и изомеразы в шесть молекул рибулозо-5 — фосфата, которые в заключительной реакции цикла Кальвина фосфорилизуются АТФ и превращаются в шесть молекул рибулозо-1 5-дифос-фата.  [42]

Кальвина, причем на каждую синтезированную молекулу глюкозы расходуются 18 молекул АТР и 12 молекул NADPH, образовавшихся в световых реакциях. Цикл Кальвина состоит из взаимосвязанных реакций пентозофос-фатного и гликолитического путей. У С4 — растений СО2 фиксируется сначала в клетках мезофилла с образованием малата, переходящего затем в клетки обкладки. Здесь СО2 вновь высвобождается, и ее концентрация оказывается достаточно высокой, чтобы могла произойти реакция, катализируемая рибуло-зодифосфат-карбоксилазой. После этой реакции весь процесс идет уже по С3 — пути. У С3 — растений часть добытой в процессе фотосинтеза энергии теряется в результате фотодыхания. Субстратом для фотодыхания служит гликолат-продукт оксигенирования рибулозо-1 5-ди-фосфата.  [43]

Сходные преимущества дает и цикл Кальвина. Например, 6 оборотов этого цикла обеспечивают чистый выход 1 молекулы гексозы в конечном итоге без потери промежуточных продуктов цикла.  [45]

Страницы:      1    2    3    4    5

Немецкие ученые разработали эффективный способ поглощения углекислоты из воздуха

Несмотря на огромное разнообразие организмов, способных вырабатывать ферменты для превращения диоксида углерода в органические соединения, до сих пор еще никому не удавалось использовать эту возможность для преобразования СО2 в биотопливо или возобновляемые источники для получения ценных химических веществ. Слишком высокая концентрация углекислого газа в атмосфере – это серьезная проблема, но некоторые ученые рассматривают ее как возможность.

Команда исследователей из Института земной микробиологии Общества Макса Планка в Марбурге, Германия, разработала для растений новый высокоэффективный метод переработки СО2. Он основывается на новом ферменте для связывания углерода, благодаря которому этот процесс может гипотетически идти в 2-3 раза быстрее.

Растения и водоросли вполне неплохо справляются с тем, чтобы уменьшить количество углекислого газа в атмосфере. Ежегодно они потребляют около 350 миллиардов тонн СО2 во всем мире. Почти все растения делают это с помощью одного и того же химического процесса, ряда химических реакций, называемых циклом Кальвина.

Цикл Кальвина представляет собой набор молекулярных превращений, в процессе которых три простых атома молекулы СО2 медленно преобразуются в глюкозу, сложный сахар. Этот способ достаточно хорошо отлажен эволюцией, но ученые нашли способ его улучшить.

Успешное завершение цикла Кальвина зависит от конкретного молекулярного инструмента –

рибулозобисфосфаткарбоксилаза

(RuBisCO) – фермента, который захватывает СО

2

из атмосферы и формирует крупную молекулу, чтобы начать превращение. Проблема в том, что RuBisCO делает это относительно медленно. Кроме того, каждая пятая попытка RuBisCO зафиксировать CO

2

приводит потерям углерода из цикла Кальвина и снижает эффективность фотосинтеза.

Биохимики во главе с Тобиасом Эрбом разработали в пробирке цикл поглощения углерода, во многом схожий с циклом Кальвина. Главное отличие нового способа заключается в том, что в нем используются более быстрый и эффективный молекулярный инструмент – фермент ECR, который выполняет ту же работу, что и RuBisCO, только, примерно, в 9 раз быстрее. Эрб назвал этот процесс циклом CETCH. Помимо фермента ECR, ученые путем секвенирования и синтеза вывели еще 16 катализаторов из 9 различных организмов для CETCH цикла.

Цикл CETCH превращает переносимый по воздуху СО2 в глиоксилат за 11 шагов. На каждом этапе требуется фермент, трансформирующий молекулы. Каждый из таких ферментов был тщательно отобран из 40 тысяч известных катализаторов. Некоторые из них обнаружились в организме человека и кишечных бактериях, другие взяли из растений и микробов, обитающих в Мировом океане.

Эрб и его коллеги проверили CETCH цикл в своей лаборатории. Они соединили все добытые катализаторы с некоторым количеством химического топлива и подсчитали, сколько углекислого газа было изъято из воздуха. Они обнаружили, что их цикл на 25% эффективнее, чем цикл Кальвина в растениях и водорослях. CETCH преобразует диоксид углерода в органические молекулы со скоростью 5 нмоль СО2 в минуту на миллиграмм белка.

Ободренный успешным восстановлением синтетической ферментативной сети в пробирке, которая, к тому же, может конкурировать с природными циклами, Эрб открывает сразу несколько дверей для использования технологии CETCH. Если ввести синтетические ферменты в живой организм, цикл CETCH поддержит естественный фотосинтез. В конце концов, он же может послужить толчком разработки самодостаточного, полностью синтетического углеродного обмена веществ в бактериальных и водорослевых системах.

Эрб отмечает, что на этом этапе очень трудно спрогнозировать, насколько быстрым будет синтезированный CETCH по сравнению с циклом Кальвина, который работает в живых организмах. Но поскольку он проходит меньшее количество этапов и его ферменты быстрее, ученые ожидают ускорения в два или три раза. В конечном итоге он может оказаться немного медленнее, чем цикл Кальвина. Ученые просто не знают этого наверняка, пока.

Хотя глиоксилат, который получается в ходе цикла CETCH во многом бесполезен сам по себе, его можно легко преобразовать в другое химическое вещество, пригодное для производства биотоплива или анитибиотиков.

Ученые надеются, что однажды цикл CETCH можно будет внедрить в живой организм с помощью методов генной инженерии. Однако это весьма непростая задача, для решения которой необходимо провести множество исследований. Сейчас команда Эрба не имеет ни малейшего представления о том, что произойдет, если их цикл разместить внутри системы живой клетки.

«Попробуйте вообразить, будто ученым удалось создать что-то вроде искусственных листьев или любую другую гибридную систему, в которой фотоэлектрические солнечные батареи могут обеспечить энергией водоросли и бактерии, живущие под ними. Тогда, используя цикл CETCH, они смогут поглощать диоксид углерода и вырабатывать полезные химические вещества» – говорит Тобиас Эрб.

Сейчас в основе всей химической промышленности лежит использование ископаемого топлива. Пластмассы и текстиль, техника и антибиотики – все это производится с огромным количеством выбросов углекислого газа. Вместо того, чтобы обременять планету новыми выбросами, химическое производство могло бы активно бороться с изменением климата, создавая полезные продукты из CO2.

Научная работа опубликована в журнале Science 18 ноября 2016 года
DOI: 10.1126 / science.aah5237

Rubisco and the Calvin Cycle | Biology

9.6: Восстановительный пентозофосфатный цикл, или цикл Кальвина

Обзор

Кислородный фотосинтез преобразует около 200 миллиардов тонн углекислого газа (CO2) в год в органические соединения и производит около 140 миллиардов тонн атмосферного кислорода (O2). Фотосинтез является основой всех потребностей человека в пище и кислороде.

Фотосинтетический процесс можно разделить на два набора реакций, которые происходят в разных регионах хлоропластов растений: светозависимые реакции и светозависимые или «темные» реакции. Светозависимые реакции происходят в тилакоидной мембране хлоропласта. Он преобразует световую энергию в химическую энергию, хранящуюся в качестве АТФ и NADPH. Эта энергия затем используется в области стромы хлоропласта, чтобы уменьшить содержание углекислого газа в атмосфере в сложные углеводы через свето-независимые реакции цикла Кальвина-Бенсона.

Цикл Кэльвина-Бенсона

Цикл Кэльвина-Бенсона представляет собой свето-независимый набор фотосинтетических реакций. Он использует аденозинтрифосфат (АТФ) и никотинамид-аденин динуклеотид фосфат (NADPH), генерируемый во время светозависимых реакций для преобразования атмосферного CO2 в сложные углеводы. Цикл Кэльвина-Бенсона также регенерирует аденозин-дипфосфат (ADP) и NADPдля светозависимых реакций.

В начале цикла Кэльвина-Бенсона атмосферный CO2 попадает в лист через отверстия, называемые стоматой. В области стромы хлоропласта фермент рибулоза-1,5-бисфосфат карбоксилазы/оксигеназы (RuBisCO) добавляет один атом углерода от CO2 до 5-углеродной (5C) молекулы сахара-акцептора, рибулозы-1,5-бисфосфата (RuBP). Полученная молекула 6C очень нестабильна и распадается на две молекулы 3-фосфоглицерной кислоты (3-PGA). Фермент 3-фосфоглицерат киназы использует АТФ для фосфорилата этих 3-PGA молекул для формирования 1,3-бисфосфоглицерат. Глицеральдегид 3-фосфат дегидрогеназа использует NADPH, чтобы уменьшить эти молекулы для формирования глицеральдегид 3-фосфат (G3P), 3C сахара. Этот конечный продукт дает название C3 фиксации углерода-псевдоним для цикла Кэльвина-Бенсона .

Чтобы исправить шесть молекул CO2, цикл Кэльвина-Бенсона уменьшает 12 NADPH и 18 молекул АТФ. Эти источники энергии пополняются светозависимыми реакциями фотосинтеза. Шесть CO2 прилагаются к шести молекулам 5C (RuBP), которые распадаются на 12 молекул 3C (G3P). Десять из этих молекул G3P регенерируют шесть молекул приёмщика RuBP, чтобы продолжить цикл. Две молекулы G3P преобразуются в одну глюкозу. G3P также может быть использован для синтеза других углеводов, аминокислот и липидов.


Литература для дополнительного чтения

Michelet, Laure, Mirko Zaffagnini, Samuel Morisse, Francesca Sparla, María Esther Pérez-Pérez, Francesco Francia, Antoine Danon, et al. “Redox Regulation of the Calvin–Benson Cycle: Something Old, Something New.” Frontiers in Plant Science 4 (2013). [Source]

Sharkey, Thomas D., and Sean E. Weise. “The Glucose 6-Phosphate Shunt around the Calvin–Benson Cycle.” Journal of Experimental Botany 67, no. 14 (July 1, 2016): 4067–77. [Source]

Фиксация углерода, накопление крахмала, транспорт сахарозы и неорганического фосфата и первичные процессы фотосинтеза + «

Автореферат диссертации по теме «Фиксация углерода, накопление крахмала, транспорт сахарозы и неорганического фосфата и первичные процессы фотосинтеза»

На правах рукописи

Долгополова Анастасия Александровна

ФИКСАЦИЯ УГЛЕРОДА, НАКОПЛЕНИЕ КРАХМАЛА, ТРАНСПОРТ САХАРОЗЫ И НЕОРГАНИЧЕКОГО ФОСФАТА И ПЕРВИЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ

ФОТОСИНТЕЗА

Специальность 03.00.02 — биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2004

Работа выполнена на кафедре биофизики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

Кукушкин Александр Константинович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Караваев Владимир Александрович

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Птицын Григорий Анатольевич

Ведущая организация:

Институт физиологии растений им. Тимирязева РАН

Защита диссертации состоится 20 мая 2004 г. в

ч. на заседании

Диссертационного совета К 501.001.08 при Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М. В. Ломоносова, Физический факультет, аудитория

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан «

2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 501.001.08 кандидат физико-математических наук

Хомутов Г.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Фотосинтез является процессом, в ходе которого происходит превращение световой энергии в энергию химических связей. Выделяющийся в процессе фотосинтеза кислород является важнейшим веществом для поддержания жизни на Земле. Поэтому изучение фотосинтеза и возможных механизмов регуляции эффективности усвоения углерода имеет большое значение. Взаимосвязь различных реакций фотосинтеза обеспечивает жизнедеятельность растения в изменяющихся условиях. Изучение регуляторных связей позволяет выводить растения, приспособленные к резким изменениям климата, содержащие различное количество Сахаров и других веществ, а также позволяет создавать условия, благоприятные для оптимального роста и развития растения. В настоящее время известно молекулярное строение основных компонентов фотосинтетического аппарата, фотохимические и биохимические реакции фотосинтеза. Однако механизмы взаимодействия между ними и способы регуляции остаются неизученными.

Взаимодействие световых и темновых реакций фотосинтеза особенно ярко проявляется в процессах индукции, когда происходит переход адаптированного к темноте растения к стационарному фотосинтезу после включения возбуждающего света. Индукция объясняется несколькими причинами, в том числе активацией ферментов цикла Кальвина, которая зависит от концентраций метаболитов цикла Кальвина и запасных веществ, а также от энергетического потенциала клетки. На практике для исследования индукционных процессов часто используют флуоресцентные методы, в том числе быструю флуоресценцию и замедленную люминесценцию. Поскольку световые стадии фотосинтеза через цепь электронного транспорта связаны с темновыми реакциями ассимиляции углерода, то характеристики люминесценции зависят не только от состояния светособирающих пигментов и компонентов цепи электронного транспорта, но и от биохимических процессов, происходящих в цикле Кальвина. В связи с этим большой интерес представляет изучение влияния транспорта и запасания продуктов ассимиляции углерода на первичные процессы фотосинтеза.

Также как и другие процессы метаболизма, ассимиляция углерода при фотосинтезе

подвержена контролю и регуляции. Регуляция осуществляется посредством изменения

активности ферментов, как правило, катализирующих необратимые реакции; а также

изменением концентраций метаболитов по закону действующих масс и транспортом

метаболитов между хлоропластом и окружающей его клеточной средой. Наиболее важным в

жизнедеятельности растительной клетки является обмен неорганического фосфата с

триозофосфатом, осуществляемый триозофосфатным транслокатором. Работа этого белка

подвержена регуляции концентрацией фосфата внутри и ищттщ гглщ г гпигтп ц п

Грос НАЩЮУЛЛЬ« I ¿ИБЛИОТЖКЛ 1 I г

какая часть фиксированного углерода будет участвовать в восстановительной фазе цикла Кальвина, какая часть пойдет на синтез крахмала, а какая часть будет транспортироваться из клетки и превращаться в сахарозу.

Синтез крахмала в хлоропластах также регулируется концентрацией неорганического фосфата. Важную роль в этом процессе играет фермент АДФглюкозопирофосфорилаза, от активности — которого зависит скорость синтеза крахмала. Содержание крахмала в хлоропластах растительных ‘клеток влияет на эффективность фиксации углерода и на первичные реакции фотосинтеза. В частности, замедление синтеза крахмала может приводить к активации циклического транспорта, исследование которого позволяет более детально изучить процессы переноса электронов и механизмы регуляции активности ФС2. Большую помощь в исследовании регуляторной роли синтеза крахмала оказывает использование мутантов с мутациями в генах, отвечающих за активность АДФглюкозолирофосфорилазы, и имеющих недостаток крахмала в семенах.

Помимо перечисленных способов контроля эффективности ассимиляции углерода на уровне клетки существует регуляция посредством изменения скорости переноса питательных веществ по целому растению. Определяющее значение здесь занимает транспорт сахарозы из листьев. Сахароза играет важную роль в регуляции фотосинтеза. Низкое содержание Сахаров приводит к стимуляции фиксации СОг, деградации крахмала и усиленному транспорту Сахаров. Избыток Сахаров стимулирует рост растения и накопление запасных веществ.

Цель данной работы заключается в исследовании влияния метаболизма и транспорта продуктов ассимиляции СO2 на первичные процессы фотосинтеза. Для достижения этой цели поставлено ряд задач.

1. С помощью теоретической модели фотосинтеза провести исследование влияния транспорта — неорганического фосфата и триоз, а также накопления крахмала на кинетические характеристики кривых индукции флуоресценции, и замедленной люминесценции.

2. Измерить содержание крахмала в листьях мутантов гороха с недостатком крахмала в семенах.

3. Измерить скорость поглощения СО2 листьями мутантов и дикого типа.

4. Экспериментально исследовать влияние недостатка крахмала на параметры индукционных кривых фотосинтеза.

5. Провести исследование влияния недостатка крахмала на активацию циклического транспорта электронов вокруг ФС1 при различных температурах и добавлении Сахаров и ингибиторов циклического транспорта.

6. Экспериментально исследовать влияние оттока сахарозы, ограничиваемого охлаждением проводящих тканей или введением ингибиторов транспорта сахарозы, на параметры индукционных кривых замедленной люминесценции.

Новизна работы.

Впервые в теоретическую модель фотосинтеза был включен синтез крахмала в явном виде и исследовано влияние скорости накопления крахмала на индукционные кривые фотосинтеза.

Проведено исследование влияние недостатка крахмала в семенах гороха на скорость поглощения СО2.

Установлено влияние недостатка крахмала в листьях гороха на активацию циклического транспорта электронов вокруг ФС1.

Обнаружено влияние оттока сахарозы из листьев высших растений, ограничиваемого с помощью охлаждения проводящих тканей растений или введением ингибиторов транспорта сахарозы, на период полуспада кривых индукции замедленной люминесценции.

Практическая ценность работы.

Представленные в диссертационной работе результаты показывают взаимосвязь первичных процессов фотосинтеза с транспортом и запасанием продуктов фиксации СО2 и важную роль неорганического фосфата для регуляции метаболизма углерода.

Разработанная в данной работе теоретическая модель может использоваться для анализа экспериментальных данных по исследованию влияния недостатка крахмала в листьях на параметры индукционных кривых замедленной люминесценции.

Исследование циклического транспорта, проведенное в данной работе, имеет большое значение для понимания причин, приводящих к его активации.

Подход, используемый в данной работе, может быть использован для мониторинга физиологического состояния растений, а полученные результаты могут применяться в экологических исследованиях.

Ценность полученных данных обусловлена их вкладом в понимание механизмов регуляции активности цикла Кальвина транспортом и запасанием продуктов фиксации СО2 и взаимосвязи первичных и вторичных процессов фотосинтеза.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на 8 научных конференциях, в том числе на конференции «Горизонты физико-химической биологии» (Пущино, 2000 г.), на 2-й < международной конференции «Фундаментальные проблемы физики» (Саратов, 2000 г.), на 16-м международном симпозиуме по Биоэнергетике в Словакии (Братислава, 2001 г.), а также на международных конференциях студентов и

аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов» (Москва, 1999-2002 гг.) и на научной конференции «Ломоносовские чтения» (Москва, 2002 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 статьи.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, обзора литературы с постановкой задачи, описания методик теоретических расчетов и экспериментов, описания результатов и их обсуждения, выводов и списка цитируемой литературы. Диссертация включает 109 страниц текста, 41 рисунок и 13 таблиц. Список цитируемой литературы, содержит 145 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и сформулирована цель работы.

Глава I представляет собой литературный обзор. В разделе 1.1. обосновано, измерение газообмена листьев и его связь с кинетикой фермента РуБисКО. Введено понятие кривых зависимости скорости поглощения СО2 от внутриклеточной концентрации СО2 (АО-кривых) и СО2 компенсационной точки, а также описан пример их применения для исследования фотосинтеза мутантов табака с недостатком крахмала. Раздел 12. посвящен определению индукции фотосинтеза, рассмотрению причин ее возникновения и факторов, влияющих на индукционный период. В разделе 13. описаны методы исследования индукции фотосинтеза: метод индукции флуоресценции и замедленной люминесценции. Рассмотрены возможности их применения для изучения процессов поглощения света, разделения зарядов, электронного транспорта, а также для изучения процессов транспорта и накопления продуктов ассимиляции СОг. В разделе 1.4. приведены литературные данные о том, что обмен неорганического фосфата и триозофосфата между стромой- и цитозолем осуществляется посредством триозофосфатного переносчика, находящегося в мембране хлоропласта. Рассмотрена регуляция активности этого белка концентрациями фосфата внутри и снаружи хлоропласта, а также важная роль триозофосфатного транслокатора в регуляции активности ассимиляции углерода. В разделе 1.5. описывается влияние содержания неорганического фосфата в хлоропласте и в цитозоле на скорость фиксации СО2 и показана важная роль неорганического фосфата в ее регуляции. В разделе 1.6. приведены реакции синтеза крахмала в хлоропластах, рассмотрена регуляция активности ключевого фермента синтеза крахмала АДФглюкозопирофосфорилазы, описаны факторы, влияющие на скорость синтеза крахмала, и роль синтеза крахмала в регуляции фиксации СО2. Кроме этого, уделено внимание синтезу крахмала в семенах и описаны мутанты гороха с

мутациями, затрагивающими гены, ответственные за накопление крахмала в семенах. Раздел 1.7. посвящен обсуждению причин, приводящих к активации циклического транспорта электронов вокруг ФС1. Рассмотрены два пути циклического потока электронов и дыхание в хлоропластах, происходящее в темноте с участием НАДФН-дегидрогеназы, которая осуществляет перенос электронов от НАДФН на пул пластохинонов. Большое внимание уделено анализу факторов, влияющих на активность циклического транспорта электронов. В разделе 1.8. рассматриваются методы, с помощью которых можно исследовать циклический транспорт электронов вокруг ФС1. Пункт 1.8.1. посвящен методу термолюминесценции. Особое внимание уделено описанию пика AG или «послесвечения», который является индикатором циклического потока электронов. Рассмотрены факторы, влияющие на его появление, форму и положение. В пункте 1.8.2. показано, что по стационарному значению величины поглощения фотоокисленых центров Р700+ и по скорости восстановления Р700+ в темноте после выключения дальнего красного света можно судить об активности циклического потока электронов вокруг ФС1. В разделе 1.9. приведены реакции синтеза сахарозы и возможные механизмы регуляции содержания сахарозы. Рассматривается транспорт сахарозы из листьев, факторы, влияющие на его активность и роль транспорта сахарозы в регуляции скорости фотосинтеза. В разделе 1.9.1. обсуждается применение различных веществ для ограничения транспорта сахарозы. В разделе 1.10. описываются некоторые, теоретические модели фотосинтеза. Особое внимание уделялось моделям, содержащим не только первичные процессы фотосинтеза, но и реакции цикла Кальвина, а также синтез крахмала и сахарозы. В разделе 1.11. приведена постановка задачи.

Глава II посвящена описанию методик теоретических расчетов и экспериментов. В разделе 11.1. приводится описание теоретических моделей, с помощью которых проводились расчеты кинетики флуоресценции, замедленной люминесценции и интенсивности НАДФН. Первая модель была разработана ранее на кафедре биофизики и включает поглощение и перенос возбуждения в антеннах ФС1 и ФС2, перенос энергии к реакционным центрам, разделение зарядов в реакционных центрах, перенос электронов между фотосистемами, циклический транспорт вокруг ФС1, фотофосфорилирование, основные реакции цикла Кальвина с выходом фосфата. Кроме того, она учитывает реакции переноса неорганического фосфата и триозофосфата посредством триозофосфатного транслокатора. Данная модель удовлетворительно описывает кривые индукции флуоресценции и замедленной люминесценции, а также позволяет исследовать влияние неорганического фосфата на их параметры.

Дня исследования влияния синтеза крахмала на индукцию фотосинтеза нами была разработана модель, полученная из предыдущей добавлением реакции синтеза крахмала. Схема реакций, включенных в модель, представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема процессов, учитываемых в модели. щ, я> — пигменты антенны, ж,, яг — реакционные центры ФС1 и ФС2, Q, U, Ф — электронные переносчики, Ff¡, Рц — коэффициенты сопряжения между реакциями электронного транспорта и синтезом АТФ, а -коэффициент сопряжения скорости обращения цикла Кальвина с выходом фосфата, Р, -неорганический фосфат, Ptxt — внешний неорганический фосфат, triose„a — внешний триозофосфат.

Синтез крахмала учтен в модели в виде реакции превращения глицеральдегида-3-фосфата (G3P) с константой скорости k1 в крахмал с выходом двух молекул неорганического фосфата. Также учитывается деградация крахмала в обратной реакции образования глицеральдегида-3-фосфата с константой скорости к2 из крахмала с участием неорганического фосфата.

В разделе П.2. описан метод регистрации кривых индукции миллисекундной замедленной люминесценции. Замедленная люминесценция измерялась с помощью фосфороскопа, который, вращаясь, разделяет во времени возбуждение образца и регистрацию люминесценции. В разделе ИЗ. приведена методика измерения содержания крахмала в листьях и оценка концентрации крахмала в листьях на единицу массы. Раздел II.4. посвящен описанию метода измерения газообмена листьев с помощью измерительной системы Li-Cor-6400. В частности, описывается принцип расчета скорости фотосинтеза, устьичной проводимости и внутриклеточной концентрации СО2. Раздел II.5. посвящен

описанию метода измерения окислительно-восстановительного состояния Р700. Окислительно-восстановительное состояние реакционного центра ФС1 Р700 контролируется посредством регистрации изменений в поглощении образцом дальнего красного света примерно на 820 нм с помощью эмиттера-детектора ED-P700DW и стандартного импульсного амшштудо-модулирующего флуориметра РАМ-флуориметра (Walz, Effeltrich, Germany). В разделе II.6. описывается метод регистрации кривых термолюминесценции. Принцип регистрации термолюминесценции сходен с методикой измерения замедленной люминесценции, но требует не только измерения свечения листа, но и регуляции температуры листа, допускающей быстрое охлаждение и постепенное нагревание объекта. Изменение температуры осуществляется с помощью термоэлектрической пластинки Пельтье. В разделе II.7. рассмотрена методика инфильтрации ингибиторов и Сахаров. В разделе II.8. перечислены объекты исследований и условия их выращивания.

В главе III представлены результаты и их обсуждение. В разделе III. 1. с помощью теоретической модели исследуется влияние метаболизма неорганического фосфата на время полуспада кривых индукции при непрерывном и импульсном освещении. В данной модели фосфат расходуется на фотофосфорилирование, выделяется при восстановлении ДФГК, а также образуется с коэффициентом а на выходе продукта X, обозначающего пул СЗ-С7 Сахаров, идущих на синтез сахарозы и крахмала. В зависимости от коэффициента а изменяется выход фосфата из цикла Кальвина. Расчеты показали, что с увеличением а время полуспада кривых индукции флуоресценции, замедленной люминесценции и НАДФН уменьшается. Это можно объяснить тем, что при увеличении а на выходе продукта X образуется больше фосфата, следовательно, быстрее восстанавливается количество АТФ. Поэтому увеличивается скорость АТФ-зависимых реакций, т. е. возрастает скорость фиксации углерода. Следовательно, спад флуоресценции происходит быстрее.

Неорганический фосфат может переноситься через мембрану хлоропласта в обмен на триозофосфат благодаря работе триозофосфатного транслокатора. Триозофосфатный транслокатор — это белок переносчик, находящийся в мембране хлоропласта, активность которого регулируется концентрацией неорганического фосфата. С помощью теоретической модели в данной работе исследовалось влияние роста концентрации внешнего фосфата на время полуспада индукционных кривых флуоресценции, НАДФН и замедленной люминесценции. В частности, на рисунке 2 представлены кривые индукции замедленной люминесценции при различных начальных концентрациях внешнего неорганического фосфата.

Расчеты показали, что с увеличением концентрации

внешнего фосфата ширина кривых’ индукции увеличивается. Рост концентрации внешнего фосфата активирует триозофосфатный; транслокатор, что приводит к транспорту триозофосфатов в цитозоль. Однако их экспорт со временем станет конкурировать с регенерацией РуБФ, и скорость фиксации углерода упадет, а ширина или время полуспада кривых индукции увеличится.

Благодаря работе фосфатного транслокатора влияние внешних триоз на время полуспада кривых индукции будет противоположным действию неорганического фосфата. Действительно, на рисунке 3 представлены кривые индукции замедленной люминесценции при различных начальных концентрациях внешнего триозофосфата.

Из рисунка видно, что с ростом концентрации внешних триоз время полуспада индукционных кривых замедленной

люминесценции уменьшается. Объяснить полученный, результат можно тем, что увеличение концентрации внешних триоз влечет за собой выход неорганического фосфата из хлоропласта в обмен на триозофосфат (ТФ), что приведет к росту количества триоз, идущих на восстановление РуБФ.

Это вызовет увеличение скорости фиксации СО2 и, следовательно, сужение кривых

индукции.

В разделе Ш.2. представлены результаты расчетов влияния накопления крахмала на время полуспада кривых индукции флуоресценции и НАДФН, полученные с помощью > модели, включающей в явном виде синтез крахмала. Расчеты показали, что с ростом константы скорости синтеза крахмала ширина или время полуспада кривых индукции увеличивается. Полученный результат свидетельствует о том, что с ростом константы скорости синтеза крахмала все меньшая доля триозофосфатов поступает в цикл Кальвина на регенерацию РуБФ, следовательно, стационарная скорость фиксации СО2 достигается медленнее, и ширина кривых индукции увеличивается.

Теоретическая модель фотосинтеза, включающая в явном виде синтеза крахмала, также использовалась для расчета стационарных концентраций основных метаболитов цикла Кальвина и концентрации крахмала в зависимости от внешней концентрации неорганического фосфата (Фн). Расчеты проводились в режиме с недостатком фосфата, чтобы система была более чувствительной к изменениям концентрации внешнего фосфата. Результаты расчетов показали, что концентрация ФПС уменьшается, концентрации ГЗФ, АТФ и РуБФ фактически не изменяются, концентрация ДФГК, крахмала и внешних триоз возрастают, но при очень большой концентрации внешнего фосфата можно заметить резкое изменение стационарных уровней метаболитов цикла Кальвина. Это можно объяснить тем, что при докритической концентрации внешнего фосфата система успешно перерабатывает фосфат, который идет на образование АТФ, расходуется в цикле Кальвина и через фосфатный переносчик обменивается на ТФ. При критической концентрации внешнего фосфата ТФ начинают быстро выходить в цитозоль и частично включаться в синтез крахмала. Поэтому уменьшаются концентрации метаболитов цикла Кальвина таких, как РуБФ, ФПС и ДФГК, а концентрации внешних триоз и крахмала растут. Ортофосфат из хлоропласта фактически не выходит, а идет на синтез АТФ, поскольку активно экспортируются ТФ.- Расход АТФ в реакциях восстановления РуБФ и ДФГК уменьшается, поскольку уменьшились концентрации субстратов в этих реакциях. Включение внутреннего неорганического фосфата в синтез АТФ и ее замедленный расход в реакциях цикла Кальвина приводит к росту стационарной концентрации АТФ.’ АТФ образуется быстрее, чем идет ее расходование, из-за этого падает концентрация веществ в АТФ-зависимых реакциях, а ГЗФ выходит в цитозоль на образование сахарозы.

Учет зависимости скорости синтеза крахмала от отношения ФГК/ФН приводит к тому, что стационарная концентрация крахмала с ростом начальной внешней концентрации фосфата незначительно убывает. Получившийся результат можно объяснить тем, что с ростом начальной концентрации внешнего фосфата концентрация ФПС в хлоропласте уменьшается, а концентрация внутреннего неорганического фосфата растет, следовательно,

отношение [ФГК]/[Ф„] убывает, а фермент АДФглюкозопирофосфорилаза инактивируется, поскольку он аллостерически регулируется этим отношением, и синтез крахмала замедляется. Изменения концентраций метаболитов цикла Кальвина имеют такой же характер, как в случае без зависимости константы скорости синтеза крахмала от отношения [ФГК]/[Ф„], но в отличие от предыдущего случая резких скачков концентраций интермедиатов цикла Кальвина не наблюдается. Это свидетельствует о том, что учет контроля синтеза крахмала’ отношением [ФГК]/[Ф„] сделал систему более устойчивой к изменению начальной концентрации внешнего фосфата. Объяснить это можно тем, что с ростом начальной концентрации внешнего фосфата отношение [ФГК]/[ФН] падает, следовательно, уменьшается уровень крахмала в хлоропласте и синтез метаболитов цикла Кальвина происходит более эффективно.

Раздел Ш З. посвящен исследованию мутантов гороха (Pisum sativum) с недостатком крахмала в семенах. В работе были использованы два одиночных мутанта с мутациями в генах г, отвечающих за фермент, участвующий в разветвлении крахмала, и в генах rb, отвечающих за активность фермента АДФглюкозопирофосфорилазы. Также эксперименты выполнялись на двойных мутантах с мутациями и в генах г, и в генах rb. Наличие указанных мутаций приводит к уменьшению содержания крахмала в семенах примерно на 75% сухого веса. Дикий тип RRRbRb гороха использовался в качестве контроля. В пункте III3.1. представлены результаты измерений, показавыющих изменение содержания крахмала в листьях одиночных мутантов гороха с недостатком крахмала в семенах. Результаты экспериментов показали, что уровень крахмала в листьях мутантов ниже, чем в листьях дикого типа примерно на 30% — 50%. В пределах ошибки разницы в содержании крахмала между двумя мутантами не выявлено. Кроме того, можно заметить, что концентрация крахмала и в листьях мутантов, и в листьях дикого типа растет с приближением темного времени суток. Этот результат согласуется с литературными данными о том, что крахмал в листьях высших растений синтезируется и накапливается в течение дня и расходуется ночью. Полученная разница в содержании крахмала в листьях дикого типа и мутантов гороха свидетельствует о том, что мутации в семенах в генах, отвечающих за фермент, который участвует в разветвлении крахмала, и в генах, отвечающих за АДФГазу, подавляют накопление крахмала в листьях. В пункте III.3.2.. представлены результаты измерений фотосинтеза листьев гороха дикого типа и мутантов. Методом газообмена («gas exchange method») была измерена скорость поглощения СO2 листьями двойного мутанта (rrrbrb) и листьями дикого типа (RRRbRb) гороха (Pisum sativum) в зависимости от концентрации CO2 в окружающей лист атмосфере. Растения были разделены на две группы в зависимости от

возраста: в первую вошли растения мутантов и дикого типа с возрастом от 16 до 19 дней, во вторую — от 22 до 28 дней. Полученные Л-С1-кривые зависимости скорости поглощения СОг от внутриклеточной концентрации СОг для двух групп растений представлены на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4. Зависимость скорости поглощения С02 от внутриклеточной концентрации СО2 листьев 16-19-дневиых растений гороха дикого типа КК№КЪ и (А) двойного мутанта птЬтЬ.

Рисунок 5. Зависимость скорости поглощения СО2 от внутриклеточной концентрации СО2 листьев 22-28-дневных растений гороха дикого типа КК№КЪ и (А) двойного мутанта гггЪгЪ.

По рисункам можно определить, что СО2 компенсационная точка составляет 2,2±0,5 мкМ и для растений мутантов, и для дикого типа. Такое значение СО2 компенсационной точки является общим для всех СЗ-растений. Кривые зависимости скорости поглощения СОг от внутриклеточной концентрации СОг для мутантов и дикого типа. на начальном этапе совпадают и носят линейный характер примерно до 12 мкМ СО2 внутри клеток, затем скорость ассимиляции СО2 выходит на горизонтальное плато. В этой части Л-С1-кривых наблюдается различие между диким типом и мутантами по величине скорости фиксации СОг при больших внутриклеточных концентрациях СО2. Из рисунков видно, что максимальная скорость поглощения СО2 для дикого типа выше, чем для мутантов. Кроме того, можно заметить, что максимальная скорость поглощения СОг меньше для более зрелых растений, как дикого типа гороха, так и мутантов. Полученный результат свидетельствует о том, что скорость фотосинтеза при больших внутриклеточных концентрациях СО2 убывает по мере созревания листа. Объяснить такую зависимость скорости фиксации СО2 от возраста листьев можно тем, что зрелому листу не требуется дополнительного количества углерода для роста.

Помимо разницы в максимальной скорости фиксации СОг между двумя группами растений обнаружено различие в первоначальном наклоне А-Сь кривых. Дня 16-19-дневных растений первоначальный наклон А-Ськривой, коррелирующий с активностью РуБисКО, равен 0,19 см/с, а для 22-28-дневных растений эта величина составляет 0,57 см/с. Таким образом, фермент РуБисКО более активен в молодых растениях, нежели в более зрелых. Этот результат подтверждает предположение о том, что скорость фотосинтеза уменьшается по мере созревания листьев.

Если сравнивать дикий тип и мутант с недостатком крахмала, то нужно отметить, что СО2 компенсационная точка и начальный наклон А-С-кривых практически совпадают для дикого типа и для мутанта, т.е. редуцированный синтез крахмала не влияет на активность фермента РуБисКО и его специфичность к СО2. Однако при высоком уровне внутриклеточной концентрации СО2 максимальная скорость поглощения СО2 листьями мутанта примерно на 20% ниже, чем эта же величина. для дикого типа. Подавление фотосинтеза у мутантов по сравнению с диким типом при больших концентрациях СО2 можно объяснить предположением о том, что ингибирование синтеза крахмала на уровне действия фермента АДФглюкозопирофосфорилазы приводит к недостатку неорганического фосфата в хлоропласте, что и вызывает подавление фотосинтеза у мутантов.

В пункте 111.13. представлены результаты исследования влияния недостатка крахмала в листьях одиночных мутантов гороха и дикого типа на время полуспада кривых индукции замедленной люминесценции. Влияние уменьшенного содержания крахмала в листьях двойного мутанта с мутациями в генах, отвечающих за фермент, участвующий в разветвлении крахмала, и за АДФглкжозопирофосфорилазу, на период индукции замедленной люминесценции было исследовано ранее. Однако полученный результат увеличения периода полуспада кривых индукции у мутанта по сравнению с диким типом, обусловленный наличием двойной мутации, не позволяет понять, какой именно процесс ответственен за эффект. В данной работе на одиночных мутантах результаты измерения замедленной люминесценции показали, что время полуспада кривых индукции замедленной люминесценции больше для мутантов с мутацией в генах, отвечающих за активность фермента АДФглюкозопирофосфорилазы по сравнению с диким типом. Между мутантами с мутациями в генах, отвечающих за активность фермента, участвующего в разветвлении крахмала, и диким типом разница в пределах ошибки по ширине индукционных кривых не обнаружена. Таким образом, на время полуспада индукционных кривых замедленной люминесценции оказывают влияние лишь мутации в генах, отвечающих за активность фермента АДФглюкозопирофосфорилазы. Уменьшение активности этого фермента приводит к ингибированию реакции образования АДФ-глюкозы с выходом двух молекул фосфата, что

вызывает недостаток неорганического фосфата внутри хлоропласта. Нехватка ортофосфата в строме приводит к подавлению фотосинтеза, т.е. к уменьшению скорости фиксации СО2 и увеличению периода индукции. Мы предполагаем, что замедление синтеза крахмала из-за недостатка ортофосфата в строме приводит к увеличению периода индукции. В поддержку этого могут служить теоретические расчеты зависимости скорости выхода неорганического фосфата из цикла Кальвина на индукцию замедленной люминесценции. Результаты этих расчетов были описаны в разделе Ш.3.1.

Раздел 1113.4. посвящен изучению активации циклического транспорта в листьях мутантов гороха с недостатком крахмала. Мы исследовали влияние недостатка крахмала в листьях двойного мутанта гороха по сравнению с диким типом на активацию циклического транспорта вокруг ФС1. Изучение проводилось с помощью определения стационарного значения величины поглощения фотоокисленых дальним красным светом центров Р700* и скорости восстановления Р700+ в темноте после выключения дальнего красного света. Для исследования влияния недостатка крахмала в листьях гороха на активацию циклического транспорта мы использовали- также метод термолюминесценции.- Мы регистрировали свечение образца при нагреве с постоянной скоростью от 0°С до 100°С после облучения дальним красным светом в течение 10 секунд при 20°С. Из литературы известно, что появление при этом максимума «послесвечения» свидетельствует об активации циклического транспорта электронов вокруг ФС1.

Результаты экспериментов показали, что стационарные значения величины поглощения фотоокисленых центров Р700* при облучении образцов дальним красным светом ниже для мутантов, чем для дикого типа. Величина поглощения фотоокисленных центров Р700+ в стационаре определяется соотношением скоростей окисления и восстановления реакционного центра ФС1. В данной работе адаптация растений к темноте в течение длительного периода времени исключает поток электронов на реакционные центры ФС1 от пула пластохинонов. Поскольку дальний красный свет возбуждает преимущественно ФС1, и пул пластохинонов не содержит электронов, то стационарное поглощение фотоокисленных центров Р700+ определяется в основном соотношением скоростей окисления и восстановления реакционных центров ФС1 в процессе циклического электронного транспорта. Таким образом, мы предполагаем, что более низкие стационарные значения величины поглощения фотоокисленных центров Р700* у мутантов, чем у дикого типа, свидетельствует о том, что циклический транспорт электронов вокруг ФС1 активируется в листьях с недостатком крахмала. Кроме того, результаты измерений сигнала от Р700* при освещении образца дальним красным светом показали, что разница в

стационарных значениях величины поглощения фотоокисленных центров Р700+ между мутантом и диким типом тем больше, чем выше интенсивность дальнего красного света. Этот результат показывает, что активация циклического транспорта зависит от интенсивности дальнего красного света. С ростом интенсивности облучения возрастает поток электронов от восстановителей в строме на реакционный центр ФС1. Подтверждением • полученных результатов, свидетельствующих об активации циклического транспорта в листьях мутантов гороха ‘с недостатком крахмала, могут служить эксперименты по измерению скорости восстановления Р700* в темноте после выключения дальнего красного света. Следует отметить, что восстановление Р700* в темноте после выключения освещения имеет двухфазный характер и аппроксимируется суммой двух убывающих экспонент. В таблице 1 представлены скорости быстрой и медленной фазы восстановления Р700+ в темноте после выключения дальнего красного света.

Таблица 1. Значения скорости быстрой (к1) и медленной (к2) фазы восстановления Р700+ в темноте после выключения дальнего красного света неотделенных листьев мутанта гороха (птЪгЪ) и гороха дикого типа (КК№КЪ) как функция интенсивности дальнего красного света. Символом о обозначено стандартное отклонение от среднего значения.

Интенсивность дальнего красного света, у.е. к1±о, с1 к2±ст, с»1

мутант птЬгЬ ДИКИЙ тип юда>ш> мутант птЬгЬ ДИКИЙ тип тшьнь

0 0 0 0 0

2 0,151±0,012 0,124±0,007 0,030±0,024 0,016±0,003

4 0,201 ±0,015 0,144±0,005 0,012±0,007 0,031±0,004

6 0,221 ±0,008 0,103±0,037 0,019±0,012 0,018±0,036

8 0,244±0,031 0,170±0,018 0,032±0,013 0,031 ±0,003

10 0,244±0,012 0,161±0,008 0,02б±0,011 0,025±0,005

Из таблицы видно, что скорость быстрой фазы для мутантов примерно в 1,5-2 раза больше, чем для дикого типа, начиная со значения интенсивности облучения, соответствующего 4 относительным единицам. Величина скорости восстановления Р700+ в темноте после выключения дальнего красного света является мерой циклического потока электронов от восстановителей в строме на реакционный центр ФС1. Увеличение скорости быстрой фазы для мутантов по сравнению с диким типом указывает на более интенсивный поток электронов на реакционный центр ФС1 в случае мутантов. Поскольку растения и мутантов, и дикого типа находились в одинаковых условиях до измерений и в процессе эксперимента, то дополнительный поток электронов на реакционный центр ФС1 у мутантов можно объяснить активацией циклического транспорта. Разница в скоростях медленной фазы между диким

типом и мутантами в пределах ошибки не обнаружена. Поскольку в данной работе доля медленной фазы составляет примерно 1/4 от быстрой фазы, то значениями скорости медленной фазы восстановления Р700+ в темноте после выключения дальнего красного света можно пренебречь.

Таким образом, результаты экспериментов по измерению стационарных значений величины поглощения фотоокисленных центров Р700+ при облучении образцов дальним красным светом и скорости восстановления Р700+ в темноте показывают, что в листьях мутантов гороха с недостатком крахмала в семенах активируется циклический транспорт электронов вокруг ФС1.3.4.1. посвящен исследованию влияния увеличения температуры на активацию циклического транспорта электронов в листьях гороха.

Известно, что такие факторы как повышенная температура и увеличенная концентрация глюкозы и фруктозы в листьях способствуют активации циклического транспорта. В данной работе указанные воздействия использовались для установления их влияния на стационарные значения величины поглощения фотоокисленных центров Р700+, на скорости — восстановления Р700+ после выключения дальнего красного света и на положение максимума термолюминесценции «послесвечения» или пика AG, отвечающего за циклический транспорт электронов.

Эксперименты по измерению сигнала от Р700+ при облучении образцов дальним красным светом показали, что стационарные значения величины поглощения • фотоокисленных центров Р700+ при температуре листа 30°С — 32°С значительно ниже, чем при комнатной температуре. Причем сигнал от Р700* при интенсивности дальнего красного света меньшей, чем 6 относительных единиц, не был обнаружен для мутантов и только при интенсивности в 5 относительных единиц был найден для дикого типа. Такое уменьшение стационарных значений величины поглощения фотоокисленных центров Р700* свидетельствует о том, что в случае нагрева циклический поток электронов настолько велик, что он полностью восстанавливает (вплоть до интенсивности облучения, равной 6 относительным единицам, для мутантов) центры Р700+, окисленные дальним красным светом. Помимо этого, нужно отметить, что стационарные значения величины поглощения фотоокисленных центров Р700+ меньше в случае мутантов, чем в случае дикого типа. Полученный результат подтверждает заключение о том, что в листьях с недостатком крахмала активируется циклический транспорт, и показывает, что увеличение температуры до значения, когда повреждается ФС2, а ФС1 функционирует, делает циклический транспорт более интенсивным.

Данные, также свидетельствующие в пользу этого вывода, представлены в таблице 2, в которой приведены значения скорости быстрой (к1) и медленной (к2) фазы восстановления Р700+ в темноте после выключения дальнего красного света при температуре образца 30°С -32°С.

Таблица 2. Значения скорости быстрой (к1) и медленной (1с2) фазы восстановления Р700+ в темноте после выключения дальнего красного света неотделенных листьев мутанта гороха (пгЪгЪ) и гороха дикого типа (КИКЪКЪ) как функция интенсивности дальнего красного света при температуре листьев 30°С — 32°С. Символом о обозначено стандартное отклонение от среднего значения.

Интенсивность дальнего красного света, у.е. к1±а, с-1 к2±а, с»1

мутант птЬгЬ ДИКИЙ тип ЮШ>11Ь мутант птЬгЬ ■ ДИКИЙ тип КНЛЬЯЬ

5 — 0,389±0,098 —’ 0,112±0,051

6 1,433±0,344 0,455±0,076 0,226±0,028 0,152*0,021

8 0,829±0,072 0,51240,073 0,240±0,045 0,155±0,059

10 0,862±0,043 0,763±0,051 0,210±0,021 0,182±0,016

11 0,939±0,038 0,827±0,085 0,133±0,016 0,177±0,009

Из таблицы 2 видно, что соотношение между величинами скорости для мутантов по сравнению с диким типом такое же, как при комнатной температуре, однако значения скоростей возросли в 2-4 раза. Этот результат подтверждает предположение о том, что в листьях мутантов с недостатком крахмала активируется циклический поток электронов вокруг ФС1. Причем с увеличением температуры этот поток усиливается больше, чем в листьях дикого типа.

Из литературы известно, что максимум термолюминесценции «послесвечение» или пик АО, появляющийся примерно при 40°С — 45°С, является индикатором циклического транспорта электронов вокруг ФС1. Для подтверждения результатов, полученных методом регистрации сигнала от Р700+, в данной работе измерялась термолюминесценция листьев гороха дикого типа и мутантов с недостатком крахмала при нагреве от 0°С до 100°С с постоянной скоростью 0,333°С/с после облучения образцов дальним красным светом в течение 10 секунд. Результаты экспериментов показали, что максимум «послесвечения» для -мутантов смещен в область более низких температур и имеет большую интенсивность по сравнению с диким типом. Это свидетельствует о том, что в листьях мутантов с недостатком

крахмала активируется циклический поток электронов вокруг ФС1, и он более интенсивный, чем в листьях дикого типа.3.4.2. посвящен исследованию влияния добавления Сахаров на активацию циклического транспорта в листьях гороха.

Помимо температуры на активацию циклического транспорта может влиять избыточный уровень. глюкозы — и фруктозы в листьях. Есть данные, что увеличенная концентрация глюкозы и фруктозы способствует накоплению НАДФН в строме хлоропласта, что может способствовать появлению циклического потока электронов вокруг ФС1. В данной работе мы исследовали влияние добавления 100 мМ растворов глюкозы и фруктозы на циклический транспорт вокруг ФС1 в дисках, приготовленных из листьев мутантов гпЬгЬ с недостатком крахмала и дикого типа RRRbRb. В качестве контроля использовался 100 мМ раствор маннитола. Результаты измерений стационарных значений величины поглощения фотоокисленных дальним красным светом центров Р700+ и значений скорости восстановления Р700+ в темноте показали, что добавление 100 мМ глюкозы и фруктозы в пределах ошибки не повлияло на стационарные значения — величины поглощения фотоокисленных- центров Р700+ и на значение скорости быстрой фазы восстановления Р700* в темноте в случае дикого типа. Однако в случае мутантов с недостатком крахмала в листьях небольшая разница по этим двум параметрам обнаружена. Разница в пределах ошибки для значений скорости медленной фазы между диким типом и мутантом не обнаружена, как в случае добавления маннитола,- так ив случае инфильтрации Сахаров, и поскольку’ доля медленной фазы составляет лишь 1/4 от быстрой фазы, то этим результатом можно пренебречь.

Эксперименты с инфильтрацией Сахаров подтверждают заключение о том, что в листьях мутантов с недостатком крахмала активируется циклический электронный транспорт, и показывают, что добавление Сахаров влияет на его активность, но в гораздо -меньшей степени, чем нагрев. Кроме того, следует отметить, что добавление Сахаров не вызывает активации циклического транспорта в листьях дикого типа в противоположность эффекту увеличения температуры. Таким образом, результаты экспериментов показали, что эффект добавления Сахаров на активацию циклического транспорта вокруг ФС1 гораздо более слабый, чем действие нагрева.

Результаты измерений термолюминесценции листьев мутантов гороха с недостатком крахмала и листьев дикого типа с добавлением 100 мМ растворов глюкозы и фруктозы представлены на рисунках 4 и 5. В качестве контроля использовался 100 мМ*раствор маннитола.

V 14000 • >» >

I 3

g 12GQO i

S й 8 Ь

I ЮСГО I

* t

§

am.

Я

| 6000 -

a x u

I «00. s

0

Рисунок 6. Типичные кривые термолюминесценции дисков листьев гороха (и) дикого типа, (А) двойного мутанта с недостатком крахмала, (□) дикого типа с добавлением 100 мМ глюкозы, (Д) двойного мутанта с добавлением 100 мМ глюкозы.

; 2ах>1-,-1-.-1-.-1-.-1_1

О 22 44 67 99

1<мкрвГ)рцеС

Рисунок 7. Типичные кривые термолюминесценции дисков листьев гороха (ш) дикого типа, (А) двойного мутанта с недостатком крахмала, (□) дикого типа с добавлением 100 мМ фруктозы, (Д) двойного мутанта с добавлением 100 мМ фруктозы.

Из рисунков 6 и 7 видно, что максимумы «послесвечения» контролен мутантов с недостатком крахмала в листьях смещены в область более низких температур относительно контролен дикого типа Этот результат свидетельствует о том, что в листьях с недостатком крахмала активируется циклический транспорт электронов. Кроме того, из рисунков видно, что максимум «послесвечения» или пик AG, появляющийся при 40°С — 45°С, для дисков с введенными в них растворами глюкозы и фруктозы смещен в область более низких температур относительно контролей. Этот результат обнаружен как для мутантов, так и для дикого типа. Следовательно, добавление Сахаров влияет на активацию циклического транспорта как в случае мутантов с недостатком крахмала в листьях, так и в случае дикого типа, чего не было обнаружено методом регистрации сигнала от Р7001″. Объяснить это явление можно тем, что сигнал от Р700* измерялся при комнатной температуре, тогда как максимум термолюминесценции, отвечающий за циклический транспорт, появляется при нагреве до 40°С — 45°С. Возможно, что слабый эффект добавления Сахаров на активацию циклического транспорта, обнаруженный в опытах по измерению сигнала от Р700\ усиливается действием нагрева в случае регистрации термолюминесценции. Кроме того, поскольку образцы, использовавшиеся для измерений термолюминесценции, находились в

растворах в течение длительного периода времени, пока проводилась опыты по измерению сигнала от Р700+, то, возможно, что в течение этого времени произошла активация циклического транспорта, благодаря нахождению дисков в анаэробных условиях. Из литературы известно, что анаэробные условия также способствуют активации циклического транспорта.

Таким образом, результаты опытов с добавлением Сахаров показывают, что добавление 100 мМ растворов глюкозы и фруктозы в диски мутантов с недостатком крахмала и в диски дикого типа способствует активации циклического транспорта, который усиливается под воздействием увеличения температуры и анаэробных условий.

Раздел III.3.43. посвящен изучению влияния добавления аытимицина А и ротенона на циклический транспорт электронов в листьях гороха.

Для характеристики и обнаружения циклических путей применяют ингибиторы различных реакций, участвующих в переносе электронов вокруг ФС1. В данной работе для характеристики циклического транспорта использовались 20 мкМ раствор антимицина А, чувствительность к которому является индикатором цикла I, и 50 мкМ раствор ротенона, подавляющего цикл II. Влияние указанных веществ на циклический транспорт исследовалось методом регистрации термолюминесценции при нагреве образца от 0°С до 100°С с постоянной скоростью 0,333°С/с после облучения дальним красным светом в течение 10 секунд при комнатной температуре. Результаты экспериментов показали, что антимицин А подавляет пик AG у мутантов, что свидетельствует о том, что в листьях мутантов активируется циклический поток электронов по типу I. Небольшое подавление пика AG заметно также при обработке листьев мутантов раствором ротенона. Вероятно, полученные результаты свидетельствуют о том, что в листьях мутантов возможна активация различных циклических путей, однако более мощным является цикл I. Максимум послесвечения для дикого типа оказался нечувствительным ни к обработке антимицином А, ни к обработке ротеноном.

Раздел Ш.4. посвящен исследованию влияния оттока сахарозы из листьев высших растений на параметры кривых индукции замедленной люминесценции. Транспорт сахарозы ограничивался с помощью охлаждения черешков листьев примерно до 0°С, а также введением в черешки ингибиторов транспорта сахарозы: флоридзина и ПХМБ (парахлоромеркурийбензоат) в различных концентрациях. Типичные кривые индукции замедленной люминесценции неотделенного листа китайской розы (Hibiscus rosa chinensis) до (1) и после 2 часов охлаждения черешка листа на свету до 0°С (2) представлены на рисунке 8.

Результаты экспериментов

показали, что после охлаждения черешков листьев в течение 2 часов на свету время полуспада кривых индукции замедленной люминесценции уменьшилось. Полученный результат можно объяснить тем, что накопление сахарозы в проводящих тканях растения приводит к уменьшению скорости ее синтеза в цитоплазме фотосинтезирующих клеток. В. результате этого уменьшается выход ТФ в цитозоль. Следовательно, ТФ в основном поступают в цикл Кальвина на регенерацию РуБФ, и меньшая их часть экспортируется в цитозоль для образования сахарозы.

Рисунок 8. Кривые индукции замедленной люминесценции неотделенного листа китайской розы (Hibiscus rosa chinensis) (1) без охлаждения черешка листа (20°С) и (2) после 2 часов охлаждения черешка листа на свету (0°С).

Благодаря увеличению концентрации РуБФ, являющегося субстратом в реакции фиксации углерода, возрастает скорость ассимиляции СОг, что отражается на кривых индукции уменьшением их ширины.

Результаты экспериментов по исследованию влияния добавления ингибиторов транспорта сахарозы на параметры индукционных кривых замедленной люминесценции показали, что после их введения время полуспада кривых индукции замедленной люминесценции увеличилось на 40% — 50% по сравнению с контролем. Объяснить полученный результат можно тем, что накопление сахарозы в проводящих тканях, из-за ограничения ее оттока с помощью ингибиторов, по типу отрицательной обратной связи уменьшает скорость фотосинтеза, чтобы в цикле Кальвина производилось меньше триозофосфатов, которые участвуют в синтезе сахарозы. Уменьшение скорости фотосинтеза отражается на кривых индукции увеличением времени полуспада интенсивности замедленной люминесценции.

Помимо описанного увеличения времени полуспада индукционных кривых, результаты экспериментов по измерению замедленной люминесценции показали, что отношение максимума к стационару после добавления флоридзина и ПХМБ уменьшается. Это происходит благодаря росту стационарного уровня интенсивности замедленной; люминесценции. Увеличение стационара свидетельствует об уменьшении скорости стационарного фотосинтеза.

Таким образом, и рост ширины индукционных кривых, и увеличение стационарного уровня замедленной люминесценции позволяют сделать вывод, что добавление ингибиторов переносчика сахарозы, флоридзина и ПХМБ, приводит к уменьшению скорости фотосинтеза. Однако при ограничении оттока сахарозы при помощи охлаждения черешков листьев был получен противоположный результат сужения индукционных кривых, т.е. роста скорости фотосинтеза.

Возможно, что в случае охлаждения замедление транспорта сахарозы происходит в меньшей степени, чем при добавлении ингибиторов, чего не достаточно для накопления такого количества сахарозы, чтобы уменьшить скорость фотосинтеза по типу отрицательной обратной — связи. Поскольку в случае охлаждения не происходит блокирования белка-переносчика, то, возможно, что в случае охлаждения скорость цикла Кальвина возрастает, чтобы производить больше триоз для синтеза сахарозы, с помощью роста концентрации которой было бы возможно восстановить транспортную активность белка-переносчика.

При добавлении ингибиторов происходит, фактически, инактивация переносчика, и увеличение концентрации сахарозы в результате работы цикла Кальвина приводит только к ее накоплению, а не к возврату транспортной активности переносчика, как это, возможно, происходит в случае охлаждения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. С помощью теоретической модели фотосинтеза показано, что благодаря работе триозофосфатного транслокатора изменение концентраций неорганического фосфата и триозофосфата внутри и снаружи хлоропласта, а также накопление крахмала влияет на время полуспада индукционных кривых. Полученный результат показывает взаимосвязь первичных процессов фотосинтеза с транспортом и запасанием продуктов фиксации СО2 и важную роль неорганического фосфата для регуляции метаболизма углерода.

2. Спектрофотометрическим методом обнаружено, что листья мутантов гороха с недостатком крахмала в семенах содержат примерно на 30% — 50% меньше крахмала, чем дикий тип. Это приводит к уменьшению эффективности фотосинтеза при больших концентрациях СО2 и к увеличению времени полуспада кривых индукции замедленной люминесценции в случае мутации, влияющей на активность фермента АДФглюкозопирофосфорилазы. Полученный результат свидетельствует о том, что уменьшенное содержание крахмала вызывает подавление фотосинтеза из-за недостатка неорганического фосфата в хлоропласте.

3. Исследование термолюминесценции и окислительно-восстановительного состояния Р700 показало, что недостаток крахмала в листьях гороха приводит к активации циклического транспорта вокруг ФС1, на который влияет добавление Сахаров и увеличение температуры.

4. Ограничение оттока сахарозы из листьев китайской розы и узумбарской фиалки при охлаждении или введении ингибиторов транспорта сахарозы в проводящие ткани влияет на время полуспада индукционных кривых замедленной люминесценции. При этом эффект охлаждения противоположен действию ингибиторов. Это свидетельствует о различии в этих двух случаях в подавлении переносчика сахарозы. Этот процесс вызывает реакции, приводящие в результате к увеличению скорости фотосинтеза в случае охлаждения и к уменьшению при добавлении ингибиторов транспорта сахарозы.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Л.А. Тулешова, СА Кузнецова. Теоретическое исследование влияния фосфатного метаболизма на индукционные явления фотосинтеза. Сборник тезисов международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-99», секция «Физика». Физический факультет МГУ, 1999. С. 8-10.

2. А.А. Тулегаова. Исследование влияния синтеза крахмала на индукцию фотосинтеза с помощью теоретической модели. Сборник тезисов VII международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2000», секция «Физика». Физический факультет МГУ, 2000. С. 64.

3. АЛ. Тулешова. Теоретическое исследование влияния скорости синтеза крахмала на индукционные явления фотосинтеза. Сборник тезисов стендовых сообщений школы-конференции «Горизонты физико-химической биологии». Пущино, 2000. С. 323-324.

4. С А. Кузнецова, А.А. Тулешова. Кинетика флуоресценции’ хлорофилла и регуляция фотосинтеза высших растений. Материалы. 2-й, международной конференции; «Фундаментальные проблемы физики». Саратов, 2000. С. 113.

5. А.А. Тулешова, СА Кузнецова. Влияние оттока сахарозы на индукционные явления фотосинтеза. Сборник тезисов международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам **Ломоносов-2001″, секция «Физика». Физический факультет МГУ, 2001. С. 37-39.

6. A. Tuleshova, D. Badretdinov, A. Kukushkin, S. Khuznetsova. The influence of sugar synthesis and transport rates on. bioenergetics and kinetics of higher plant photosynthesis. Book of abstracts the XVI-th International — symposium; on bioelectrochemistry and bioenergetics. Comenius University, Bratislava, Slovakia 1-6 June 2001. P. 55.

7. S. Khuznetsova, T. Bogracheva, C. Hedley, A. Tuleshova, A. Kukushkin. The rate of transport through a phosphate translocator affects delayed luminescence induction: an experiment and a theoretical model. Annals ofapplied Biology,2001. V.138. РЛ17-121.

8. A. Tuleshova, D. Badretdinov, A. Kukushkin, S. Khuznetsova. The influence of sugar synthesis and transport rates on bioenergetics and kinetics of higher plant photosynthesis. Bioelectrochemistry, 2002. V.56/1-2 P. 203-205.

9. АА Тулешова, СА Кузнецова, А.К. Кукушкин. Влияние оттока сахарозы из листьев высших растений на индукцию замедленной люминесценции при фотосинтезе. Биофизика, 2002. Т. 47, вып. 4. С. 691-695.

10. Д.З. Бадретдинов, ЕА Баранова, СА Кузнецова, А.А. Тулешова, А.К. Кукушкин. Экспериментальное и теоретическое исследование температурной зависимости

стационарного значения индукции замедленной люминесценции листьев высших растений. Биофизика, 2002. Т. 47, вып. 5. С. 872-877.

11. АА.Тулешова, СА Кузнецова, Д.З.Бадретдинов. Влияние накопления крахмала в листьях высших растений на индукцию фотосинтеза. Сборник тезисов международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2002», секция «Физика». Физический факультет МГУ, 2002. С. 9-11.

12. АА.Тулешова, С.А. Кузнецова, А. К. Кукушкин. Влияние концентрации внешнего фосфата и охлаждения на . замедленную люминесценцию листьев высших растений. Сборник расширенных тезисов докладов научной конференции «Ломоносовские чтения», секция «Физика». Физический факультет МГУ, 2002. С. 56-59.

Подписано в печать 13.04.2004 Формат 60×88 1/16. Объем 1.5 п.л. Тираж 50 экз. Заказ № 78 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119992 г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к. 102

12 7 35 *

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Долгополова, Анастасия Александровна, Москва

1. А. Лайск. Кинетика фотоснтеза СЗ-растений. М., Наука, 1991.

2. P. Nobel. Plant Physiology. Second edition, academ press, USA, 1999.

3. Дж. Эдварде, Д. Уокер. Фотосинтез: механизмы и регуляция. М., Мир, 1986.

4. G. Cornic. La photorespiration se deroulant dans un air sans CO2 a-t-elle une fonction? Canadian Journal of Botany (1978), 56,2128-2137.

5. H. Eichelmann, A. Laisk. CO2 uptake and electron transport rates in wild type and a starchless mutant of Nicotiana sylvestris. Plant Physiology (1994), 106,679-687.

6. M. Stitt. Metabolite levels during induction in the chloroplast and extrachloroplast compartments of spinach protoplasts. Biochimica et Biophysica Acta (1980), 593:1, 85-102.

7. R. Hausler. Compensation of decreased triose phosphate/phosphate translocator activity by accelerated starch turnover and glucose transport in transgenic tobacco. Planta (1998), 204:3,366-376.

8. В. Шувалов, В. Климов, А. Красновский. Исследование первичных фотопроцессов в легких фрагментах хлоропластов. Молекулярная биология (1976), 10,326-338.

9. А. Рубин, А. Кононенко, В. Пащенко, С. Чаморовский, П. Венедиктов. Принципы регуляции и модельные системы первичных процессов фотосинтеза. Итоги науки и техники. Биофизика. ВИНИТИ. (1987), 22, 1-212.

10. D. Hall, J. Scurlock, Н. Bolhar-Nordenkampf, R. Leegood, S. Long. Photosynthesis and Production in a changing environment: a field and laboratory manual. Chapter 12. Published by Chapman and Hall, London, 1993.

11. H. Гаевский, В. Моргун. Использование переменной флуоресценции и замедленной люминесценции в изучении фотосинтеза растений. Физиология Растений (1993), 40, 136-145.

12. I. Zaharieva, V. Goltsev. Advances on Photosystem II investigation by measurement of delayed chlorophyll fluorescence by a phosphoroscopic method. Photochemistry and Photobiology (2003), 77(3), 292-298.

13. B. Strasser. Donor side capacity of Photosystem II probed by chlorophyll a fluorescence transients& Photosynthesis Research (1997), 52, 147-155.

14. S. von Caemmerer. Biochemical models of leaf photosynthesis. CSIRO Publishing. 2000.

15. D. Walker, M. Sivak. Can phosphate limit photosynthetic carbon assimilation in vivo? Physiologie Vegetale. (1985), 23(5), 829-841.

16. U.-I. Flugge. Phosphate translocators in plastids. Annuals Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology (1999), 50,27-45.

17. J. Riesmeier. Antisense repression of the chloroplast triose phosphate translocator affects carbon partitioning in transgenic potato plants. Plant Biology (1993), 90, 6160-6164.

18. H. Heldt. Transfer of substrates across the chloroplast envelope. Horizons of Biochemistry and Biophysics (1976), 2,199-299.

19. Ch. Rausch, M. Bucher. Molecular mechanisms of phosphate transport in plants. Planta (2002), 216,23-37.

20. M. Stitt, D. Dennis, D. Turpin, D. Lefebvre, D. Layzell. The flux of carbon between the chloroplast and cytoplasm. Plant metabolism. Longman Press, Harlow. 1997.

21. G. Pettersson, U. Ryde-Pettersson. Model studies of the regulation of the Calvin photosynthesis cycle by cytosolic metabolites. Biomed. Biochim. Acta (1980), 49,723-732.

22. I. Ciereszko, H. Johansson, V. Hurrry, L. Kleczkovski. Phosphate status affect the gene expression, protein content and enzymatic activity of UDP-glucose pyrophosphorylase in wild-type and pho mutants of Arabidopsis. Planta (2001), 212, 598-605.

23. I. Woodrow. Regulation of photosynthetic carbon metabolism. The effect of inorganic phosphate on stromal sedoheptulose-l,7-bisphosphatase. European Journal of Biochemistry (1983), 132,121-123.

24. S. Khuznetsova, T. Bogracheva, C. Hedley, A. Tuleshova, A. Kukushkin. The rate of transport through a phosphate translocator affects delayed luminescence induction: an experiment and a theoretical model. Annals of Applied Biology (2001), 138, 117-121.

25. С. Кузнецова. Влияние режимов освещения и концентрации неорганическогог фосфата на индукцию фотосинтеза. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Москва, 2000.

26. Т. Sharkey, М. Stitt, D. Heineke, R. Gerhardt, К. Raschke, H. Heldt. Limitation of photosynthesis by carbon metabolism. Plant Physiology (1986), 81, 1123-1129.

27. M. Stitt, V. Hurry. A plant for all seasons: alterations in photosynthetic carbon metabolism during cold acclimation in Arabidopsis. Plant Biology (2002), 5,199-206.

28. D. Bossis, D. Heineke. Solute accumulation and decreased photosynthesis in leaves of potato plants expressing yeast-derived invertase either in the apoplast, vacuole or cytosol. Planta (1997), 200:1, 126-136.

29. R. ffiusler. Control of carbon partitioning and photosynthesis by the TP/PT in transgenic tobacco plants. II. Assessment of control coefficient of the TP/PT. Planta (2000), 210:3, 383-390.

30. C. Martin, A. Smith. Starch biosynthesis. The Plant Cell (1995), 7,971-985.

31. J. Press. Regulation of starch synthesis, enzymological and genetic studies. Basic Life of Sciences (1987), 41,133-152.

32. L. Sweetlove. Starch metabolism in tubers of transgenic potato (Solanum tuberosum) with increased ADP-glucose pyrophosphorylase. Biochem J (1996), 320:2,493-498.

33. L. Kleczkovski. A phosphoglycerate to inorganic phosphate ratio is the major factor in controlling starch levels in chloroplasts via ADP-glucose pyrophosphorylase regulation. FEBS Letters (1999), 448, 153-156.

34. V. Haake. A moderate decrease of plastid aldolase activity inhibits photosynthesis, alters the levels of sugars and starch, and inhibits growth of potato plants. The Plant Journal (1998), 14:2, 147-157.

35. F. Ludewig. The role of transient starch in acclimation to elevated atmospheric CO2. FEBS Letters (1998), 429:2,147-151.

36. G. Pettersson, U. Ryde-Pettersson. Metabolites controlling the rate of starch synthesis in the chloroplasts of C3 plants. European Journal of Biochemistry (1989), 179,169-172.

37. J. Sun, T. Okita, G. Edwards. Modification of carbon partitioning, photosynthetic capacity, and 02 sensitivity in Arabidopsis plants with low ADP-glucose pyrophosphorylase activity. Plant Physiology. (1999), 119,267-276.

38. A. Tiessen, J. Hendriks, M. Stitt, A. Branscheid, Y. Gibon, E. Rarre, P. Geigenberger. Starch synthesis in potato tubers in regulated by post-translational redox modification of ADP-glucose pyrophosphorylase. The Plant Cell (2002), 14,2191-2213.

39. M. Emes, C. Bowsher, C. Hedley, M. Burrell, E. Scrase-Field, I. Tetlow. Starch synthesis and carbon partitioning in developing endosperm. Journal of Experimental Botany (2003), 54:382, 569-575.

40. C. Hedley, J. Lloyd, M. Ambrose, T. Wang. An analisis of seed development in Pisum sativum XVII. The effect of the rb locus alone and in combination with r on the growth and development of the seed. Annals of Botany (1994), 74,365-371.

41. T. Bogracheva, N. Davydova, Ya. Genin, C. Hedley. Mutant genes at the r and rb loci affect the structure and physico-chemical properties of pea seed starches. Journal of Experimental Botany (1995), 46:293, 1905-1913.

42. Т. Feild, L. Nedbal, D. Ort. Nonphotochemical reduction of the plastoquinone pool in sunflower leaves originates from chlororespiration. Plant Physiology (1998), 116, 12091218.

43. K. Ahluwalia, K. Willeford, M. Gibbs. Aerobic and anaerobic respiration in the intact spinach chloroplast. Plant Physiology (1989), 90, 653-656.

44. K. Singh, Ch. Chen, M. Gibbs. Characterization of an electron transport pathway assotiated with glucose and fructose respiration in the intact chloroplasts of Chlamydomonas reinhardtii and spinach. Plant Physiology (1992), 100,327-333.

45. T. Joet, L. Cournac, G. Peltier, M. Havaux. Cyclic electron flow around PS1 in C3 plants. In vivo control by the redox state of chloroplasts and involvment of the NADH-dehydrogenase complex. Plant Physiology (2002), 128,760-769.

46. D. Hall, K. Rao. Photosynthesis. Sixth edition. Cambridge University Press, 1999.

47. B. Buchman, W. Gruissem. R. Jones. Biochemistry and Molecular Biology of plants. American society of Plant Physiologists, Rockville, Maryland, 2000.

48. D. Bendall, R. Manasse. Cyclic photophosphorylation and electron transport. Biochimica et Biophysica Acta (1995), 1229,23-38.

49. J. Ravenel, G. Peltier, M. Havaux. The cyclic electron pathways around photosystem I in Chlamydomonas reinhardtii as determined in vivo by photoacoustic measurements of energy storage. Planta(1994), 193,251-259.

50. H. Scheller. In vivo cyclic electron transport in barley thylakoids follows two independant pathways. Plant Physiology (1996), 110,187-194.

51. T. Schikanai, T. Endo, T. Hashimoto, Y. Yamada, K. Asada. Directed disruption of the tobacco ndhB gene impairs cyclic electron flow around photosystem I. Proc. Natl. Acad. Science (1998), 95,9705-9709.

52. U. Heber. Irrunngen, Wirrungen? The Mehler reaction in relation to cyclic electron transport in C3 plants. Photosynthesis Research (2002), 73,223-231.

53. U. Heber, D. Walker. Concerning a dual function of coupled cyclic electron transport in leaves. Plant Physiology (1992), 100,1621-1626.

54. G. Cornic, N. Bukhov, Ch. Wiese, R. Bligny, U. Heber. Flexible coupling between light-dependent electron and vectorial proton transport in illuminated leaves of C3 plants. Role of photosystem I-dependent proton pumping. Planta (2000), 210,468-477.

55. В. Trubitsin, М. Mamedov, L. Vitukhanovskaya, A. Semenov, А. Тихонов. EPR study of light-induced regulation of photosynthetic electron transport in Synechocystis sp. strain PCC 6803. FEBS Letters (2003), 544,15-20.

56. C. Pastenes, P. Horton. Effect of high temperature on photosynthesis in beans. II. C02 assimilation and metabolite contents. Plant Physiology (1996), 11:2,1253-1260.

57. M. Havaux. Short-term responses of photosystem I to heat stress. Photosynthesis Research (1996), 47, 85-97.

58. G. Peltier, L. Cournac. Chlororespiration. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology (2002), 53,523-550.

59. L. Casano, J. Zapata, M. Martin, B. Sabatert. Chlororespiration and poising of cyclic electron transport. The Journal of Biological Chemistry (2000), 275, 942-948.

60. О Джон Хек. Изменения фотосинтетического аппарата хлореллы в гетеротрофных условиях роста. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук. Москва, 1990.

61. Ю. Чемерис. Метаболитная регуляция первичных процессов фотосинтеза. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук. Москва, 1997.

62. J. Ravenel, G. Peltier. Inhibition of chlororespiration by myxothiazol and antimycin A in Chlamydomonas reinhardtii. Photosynthesis Research (1991), 28,141-148.

63. J.-M. Ducruet. Chlorophyll thermoluminescence of leaf discs: simple instruments and progress in signal interpretation open the way to new ecophysiological indicators. Journal of Experimental Botany (2003), 54:392, 2419-2430.

64. A. Rutherford, J.-L. Zimmermann, A. Boussac. The photosystems: Structure, Function and Molecular Biology. Chapter 5. Oxygen evolution. Elsevier Science Publishers В. V., 1992.

65. T. Miranda, J.-M. Ducruet. Effects of dark- and light-induced proton gradients in thylakoids on the Q and В thermoluminescence bands. Photosynthesis Research (1995), 43,251-256.

66. G. Johnson, A. Boussac, A. Rutherford. The origin of 40-50°C thermoluminescence bands in Photosystem II. Biochimica et Biophysica Acta (1994), 1184, 85-92.

67. M. Солнцев, 3. Грибова, В. Караваев. Влияние температуры облучения на термолюминесценцию контрольных и обработанных феназоном листьев пшеницы. Физиология растений (1989), 36:4, 686-691.

68. W. Bertsch, J. Azzi. A relative maximum in the decay of long-term delayed light emission from the photosynthetic apparatus. Biochemica et Biophysica Acta (1965), 94,15-26.

69. L. Bjorn. Far-red induced, long-live afterglow from photosynthetic cells. Size of afterglow unit and paths of energy accumulation and dissipation. Photochemistry and Photobiology (1971), 13, 5-20.

70. I. Nakamoto, L.-G. Sundblad, P. Garderstrom, E. Sundbom. Far-red stimulated long-lived luminescence from barley protoplasts. Plant Science (1988), 55, 1-7.

71. T. Miranda, J.-M. Ducruet. Characterization of the chlorophyll thermoluminescence afterglow in dark-adapted or far-red illuminated plant leaves. Plant Physiology and Biochemistry (1995), 33,689-699.

72. M. Roman. Whole leaf thermoluminescence emission in Pisum sativum L: influence of leaflet position. Photosynthetica (2002), 40,153-156.

73. M. Roman, J-M. Ducruet. Evidence from leaf termoluminescence for a decrease of the NADPH+ATP. energetic potential in cold-sensitive Pisum sativum L. varieties upon hardening at 5*. Journal of Plant Physiology (2000), 157,177-181.

74. A. Krieger, S. Bolte, K.-J. Dietz, J.-M. Ducruet. Thermoluminescence studies on the facultative crassulacean-acid-metabolism plant Mesembryanthemum crystallinum L. Planta (1998), 205,587-594.

75. I. Vass, Y. Inoue. The Photosystems: Structure, Function and Moleculoar Biology. Chapter 7. Thermoluminescence in the study of photosystem II. Elsevier Science Publishers В. V., 1992.

76. Heinz Walz GmbH. Dual-Wavelength Emitter-Detector Unit ED-P700DW. Germany, 2003.

77. T. Ott, J. Clarke, K. Birks, G. Johnson. Regulation of the photosynthetic electron transport chain. Planta (1999), 209,250-258.

78. A. Worrell, J. Bruneau, K. Summerfelt, M. Boersig, T. Voelker. Expression of maize sucrose phosphate synthase in tomato alters leaf carbohydrate partitioning. The Plant Cell (1991), 3:10,1121-1130.

79. M. Hassain. Up-regulation of sucrose phosphate synthesis in rice growth under elevated CO2 and temperature. Photosynthesis Research (1999), 60,199-208.

80. J. Kehr. Transgenic plants changed in carbon allocation pattern display a shift in diurnal growth pattern. Plant Journal (1998), 16:4,497-503.

81. R. Trethewey. A mutant of Arabidopsis thaliana lacking the ability to transport glucose across the chloroplast envelope. Biochemical Journal (1994), 301:2,449-454.

82. H. Neuhaus. Starch degradation in chloroplasts isolated from C3 or CAM (crassulacean acid metabolism) induced Mesembry anthemum crystallinum L. Biochemical Journal (1996), 318:3,945-953.

83. R. Hausler. Control of carbon partitioning and photosynthesis by the TP/PT in transgenic tobacco plants. I. Comparative physiological analysis of tobacco plants with antisense repression and overexpression of the TP/PT. Planta (2000), 210:3,371-382.

84. В. Полевой. Физиология растений. M.: Высш. шк., 1989.

85. Ch. Ktihn, L. Barker, L. Btirkle, W.-B. Frommer. Update on sucrose transport in higher plants. Journal of Experimental Botany (1999), 50, 935-953.

86. J. Ward, Ch. Ktihn, M. Tegeder, W.-B. Frommer. Sucrose transporters. International Review of Cytology (1998), 178,45-71.

87. K. Oparka, R. Turgeon. Sieve elements and companion cells traffic control centres of the floem. Plant Cell (1999), 11,739-750.

88. L. Wimmers, R. Turgeon. Transfer cells and solute uptake in minor veins of Pisum sativum leaves. Planta (1991), 186,2-12.

89. J. Riesmeier, B. Hirner, W.-B. Frommer. Potato sucrose transporter expression in minor veins indicates a role in phloem loading. The plant cell (1993), 5, 1591-1598.

90. Ch. Kuhn, V. Franceschi, A. Schulz, R. Lemoine, W. Frommer. Macromolecular trafficking indicated by localization and turnover of sucrose transporters in enucleated sieve elements. Science (1997), 275, 1298-1300.

91. L. Barker, Ch. Ktihn, A. Weise, A. Schulz, Ch. Gebhardt, B. Hirner, H. Hellmann, W. Schulze, J. Ward, W.-B. Frommer. SUT2, a putative sucrose sensor in cieve elements. Plant Cell (2000), 12,1153-1164.

92. L. Btirkle, J. Hibberd, W. Quick, Ch. Kuhn, B. Hirnere, W.-B. Frommer. The H+-sucrose cotransporter NtSUTl is essential for sugar export from tobacco leaves. Plant Physiology (1998), 118,59-68.

93. R. Turgeon. Phloem loading and plasmodesmata. Trends Plant Science (1996), 1,403-441.

94. L. Williams, R. Lemoine, N. Sauer. Sugar transporters in higher plants a diversity of roles and complex regulation. Trends in plant science (2000), 5,283-290.

95. R. Lemoine, O. Gallet, C. Gaillard, W.-B. Frommer, S. Delrot. Plasma membrane visicles from source and sink leaves. Plant Physiology (1992), 100,1150-1156.

96. F. Rolland, B. Moore, J. Sheen. Sugar sensing and signaling in plants. The Plant Cell (2002), Supplement, 185-205.

97. T.-J. Chou. Sucrose is a signal molecule in assimilate partitioning. Plant Biology (1998), 95, 4784-4788.

98. S. Sakr, M. Noubahni, A. Bourbouloux, J. Riesmeier, W.-B. Frommer, N. Sauer, S. Delrot. Cutting, ageing and expression of plant membrane transporters. Biochimica et Biophysica Acta Biomembranes (1997), 1330:2,207-216.

99. А. Курсанов. Транспорт ассимилятов в растении. М.: Наука, 1976.

100. О. Koroleva, J. Farrar, A. Tomos, С. Pollock. Patterns of solute in individual mesophyll, bundle sheath and epidermal cells of barley leaves induced to accumulate carbohydrate. New Phytology (1997), 136,97-104.

101. T. Jones, D. Tucker, D. Ort. Chilling delays circadian pattern of sucrose phosphate synthase and nitrate reductase activity in tomato. Plant Physiology (1998), 118, 149-158.

102. O. Koroleva, J. Farrar, A. Tomos, C. Pollock. Carbohydrates in individual cells of epidermis, mesophyll, and bundle sheath in barley leaves with changed export or photosynthetic rate. Plant Physiology (1998), 118, 1525-1532.

103. О. Koroleva, A. Tomos, P. Roberts, C. Pollock. Tissue distribution of primary metabolism between epidermal, mesophyll and parenchymatous bundle sheath cells in barley leaves. Australian Journal of Plant Physiology (2000), 27, 747-755.

104. M. Vaughn, G. Harrington, D. Bush. Sucrose-mediated transcriptional regulation of sucrose symporter activity in the floem. Proceedings of the National Academy of Sciences (2002), 99:16, 10876-10880.

105. W. Ransom-Hodgkins, M. Vaughn, D. Bush. Protein phosphorylation plays a key role in sucrose-mediated transcriptional regulation of a phloem-specific proton-sucrose symporter. Planta (2003), 217,483-489.

106. H. Usuda, T. Demura, K. Shimogawara, H. Fukuda. Development of sink capacity of the «Storage root» in a Radish cultivar with a high ratio of «Storage root» to shoot. Plant Cell Physiology (1999), 40:4, 369-377.

107. D. Bush. Proton-coupled sucrose transport in plasma memebrane vesicles isolated from sugar beet leaves. Plant Physiology (1989), 89, 1318-1323.

108. D. Bush. Electrogenity, pH-dependence and stoichiometry of the proton-sucrose symport. Plant Physiology (1990), 93,1590-1596.

109. D. Bush Proton-coupled sugar and amino acid transporters in plants. Annual Reviews of Plant Physiology and Plant Molecular Biology (1993), 44, 513-542.

110. J. Reismeier, L. Willmitzer, W.-B. Frommer. Isolation and characterization of a sucrose carrier cDNA from spinach by functional expression in yeast. The European Molecular Biology Organization Journal (1992), 11,4705-4713.

111. D. Bush. Inhibitors of the Proton-Sucrose Symport. Archives of Biochemistry and Biophysics (1993), 307:2,355-360.

112. H. Kaback. p-galactoside transport in Escherichia coli: the ins and outs of lactose permease. In: Op den Kamp JAF, ed. Dynamics in membrane assembly. NATO ASI Series, Berlin: Springer Verlag, 1992.

113. D. Morris, J. Robbins. Forscolin photoaffinity labels with specifity for adenylyl cyclase and the glucose transporter. Journal of Biological Chemistry (1991), 266, 13377-13384.

114. B. Wadzinski, M. Shanahan. Localization of the forscolin photolabelling site within the monosaccharide transporter of human erythrocytes. Biochemical Journal (1990), 272, 151158.

115. M. Abdel-Gahni Awad. The apple skin, colourful healthiness Developmental and environmental regulation of flavonoids and chlorogenic acid in apples. Wageningen University dissertation no. 3012, Wagening, 2001.

116. M. Ledbetter, М. Lippert. Glucose transport in cultured animal cells: an exercise for the undergraduate cell biology laboratory. Cell Biology Education (2002), 1, 76-86.

117. S. Falk, N. Oulianova, A. Berteloot. Kinetic mechanisms of inhibitor binding: Relevance to the fast-acting slow-binding paradigm. Biophysical Journal (1999), 77, 173-188.

118. T. Eksittikul, M. Chulavatnatol and T. Limpaseni. Characterization of sucrose uptake system in cassava (Manihot esculenta Crantz). Plant Science (2001), 160, 733-737.

119. G. Nazarova, E. Muzafarov, V. Lyubimov. Diurnal course of quercetin, rutin and phloridzin effect on the activity of Benson-Calvin cycle. I. Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase complex. Photosynthetica (1993), 29:3,353-360.

120. P. Horton, H. Nickolson. Generation of oscillatory behavior in the Laisk model of photosynthetic carbon assimilation. Photosynthesis Research (1987), 12,129-143.

121. G. Pettersson, U. Ryde-Pettersson. A mathematical model of the Calvin photosynthesis cycle. European Journal of Biochemistry (1988), 175, 661-672.

122. A. Laisk, D. Walker. Control of phosphate turnover as a rate limiting factor and possible cause of oscillations in photosynthesis: a mathematical model. Proceedings of Royal Society of London. Series В (1986), 227,281-302.

123. Л. Фридлянд. Адаптивные механизмы фотосинтетического аппарата растительной клетки и их математическое моделирование. Диссертация на соискание степени доктора биологических наук, Москва, 1994.

124. А. Кукушкин, В. Рябов, Е. Солдатова. Вероятностное описание замедленной флуоресценции высших растений для модели комплекса реакционного центра фотосистемы 2. Вестник МГУ, сер. 3 (1986), 33:4, 60-65.

125. В. Караваев, А. Кукушкин. Теоретическая модель световых и темновых процессов фотосинтеза: проблема регуляции. Биофизика (1993), 38,958-975.

126. Ф. Закирьянов, А. Кукушкин, Е. Солдатова. Теоретическое изучение замедленной флуоресценции хлорофилла в листьях высших растений. Биофизика (1994), 39:4, 702708.

127. С. Кузнецова. Влияние режимов освещения и концентрации неорганического фосфата на индукцию фотосинтеза. Диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук, Москва, 2000.

128. А. Гущин, А. Кукушкин. Действие ионов Ni2+ и Cd2+ на замедленную флуоресценцию листьев бобов. Биофизика (1997), 42:2,466-471.

129. G. Cornic, G. Louason. The effect of 02 on net photosynthesis at low temperature (5°C). Plant cell and environment (1980), 3, 149-157.

130. U. Schreiber, С. Klughammer, С. Neubauer. Measuring P700 absorbance changes around 830 nm with a new type of pulse modulation system. Zeitschrifit Naturforsch (1988), 43, 686-698.

131. B. Jacob, U. Heber. Apoplastic ascorbate does not prevent the oxidation of fluorescent amphiphilic dyes by ambient and elevated concentrations of ozone in leaves. Plant Cell Physiology (1998), 39:3, 313-322.

132. W. Gsell, O. Kiirats, W. Hartung, U. Heber. Inhibition of photosynthesis of sunflower leaves by an endogenous solute and interdependence of different photosynthetic reactions. Planta (1989), 177, 367-376.

133. Говинджи. Фотосинтез. M., Мир, 1987.

134. М. Stitt, I. Wilke, R. Feil, H. Heldt. Coarse control of sucrose-phosphate synthase in leaves: Alterations of the kinetic properties in response to the rate of photosynthesis and the accumulation of sucrose. Planta (1988), 174,217-230.

135. A. Raghavendra. Photosynthesis. A comprehensive treatise. Cambridge University Press, 1998.

136. L.-G. Sundblad, W. Schroder, H. Akerlund. S-state distribution and redox state of Qa in barley in relation to luminescence decay kinetics. Biochimica et Biophysica Acta (1989), 973,47-52.

137. J. Gottwald, P. Krysan, J. Young, R. Evert, M. Sussman. Genetic evidence for the in planta role of phloem-specific plasma membrane sucrose transporters. Proceedings of the National Academy of Sciences (2000), 97:25,13979-13984.1. БЛАГОДАРНОСТИ

Фотосинтез на ЕГЭ и ОГЭ по биологии 2022 — это просто

Чем растения отличаются от других царств живой природы? Несмотря на то, что отличий масса, скорее всего, в первую очередь вы подумаете о фотосинтезе. Так что именно о фотосинтезе на ЕГЭ и ОГЭ мы сейчас и поговорим.

Фотосинтез на ЕГЭ и ОГЭ по биологии 2022 — это просто

Что такое фотосинтез?

Почему растения фотосинтезируют? Стандартный ответ: «Потому что они зеленые». 

На самом деле, растения получили способность к фотосинтезу благодаря наличию симбиотических органоидов — хлоропластов,  в которых и происходят темновая и световая фазы, а в хлоропластах содержится пигмент хлорофилл, именно он окрашивает растения в зеленый цвет. 

Фотосинтез — одна из реакций обмена веществ. Как любая реакция метаболизма, он идет поэтапно (световая и темновая фазы) и с участием ферментов. Фотосинтез относится к реакциям пластического обмена. Особенность пластического обмена в том, что органические вещества синтезируются, а энергия на это тратится. 

Фотосинтез — это синтез органических веществ из неорганических веществ с использованием энергии солнечного света.

Далее разберем подробно обе фазы и процессы, происходящие в них.

Как идет процесс фотосинтеза?

Световая фаза фотосинтеза для ЕГЭ и ОГЭ

Световая фаза проходит в хлоропластах на тилакоидах. Там хранится пигмент хлорофилл, с которого все начинается — именно из-за него растения имеют зеленую окраску. Квант света попадает на тилакоид и возбуждает молекулу хлорофилла. В этот момент инициируется процесс фотосинтеза. При этом выделяется энергия АТФ. 

Самые внимательные из вас могут заметить некоторую несостыковку. Почему выделяется? Это же реакция пластического обмена, а не энергетического, значит, энергия должна тратиться. Да, действительно при фотосинтезе выделяется АТФ, но она не накапливается и не тратится на другие реакции, как при энергетическом обмене, а вся уходит на фотосинтез. Поэтому это реакция анаболизма, хоть и с выделением АТФ. 

Параллельно идет фотолиз воды. 

Название процесса говорит само за себя: «фото» — свет, «лизис» — расщепление. Буквально переводится как расщепление воды на свету. Легко запомнить, что проходит фотолиз в световую фазу. 

На что же может распасться молекула воды? На свободный кислород и водород. У каждого из этих элементов свой путь. 

Кислород — это сильный окислитель, буквально смерть для любой неспециализированной клетки, поэтому растения быстро от него избавляются, выделяя в атмосферу как побочный продукт. А уже из атмосферы аэробные организмы (в том числе, растения) поглощают его и используют для дыхания. Так что нам повезло! Не было бы процесса фотосинтеза, не было бы кислорода и что было бы с жизнью на нашей планете представить сложно. 

Но помимо кислорода, выделяется еще водород, если бы он был человеком, мы бы сказали, что он растерян и нуждается в помощи. На помощь к нему приходит молекула-переносчик НАДФ (полное ее название —никотинамиддинуклеотидфосфат, но мы ласково зовем ее НАДФ). Она использует водород для восстановления до НАДФ*Н2. Задача этой молекулы переносить водород из тилакоидов в строму, поэтому мы называем ее молекула-переносчик. На этом световая фаза заканчивается.

Резюмируем
  • Квант света возбуждает молекулу хлорофилла
  • Инициируется процесс фотосинтеза
  • Выделяется АТФ
  • Фотолиз воды
  • Кислород выходит в окружающую среду как побочный продукт фотосинтеза
  • Водород соединяется с молекулой переносчиком НАДФ*

Темновая фаза фотосинтеза для ЕГЭ и ОГЭ

В некоторых источниках эту фазу еще называют светонезависимой фазой. Действительно, название «темновая стадия» часто вызывает затруднения. Кажется, что световая проходит на свету, а темновая тогда в темноте, но это не так. Для темновой фазы действительно не нужен свет, соответственно, у нее есть варианты — может  проходить и на свету, и в темноте. Она идет  практически параллельно со световой и в ней используются продукты, образовавшиеся в световой фазе. 

Для того чтобы фазы друг другу не мешали, они проходят в разных частях хлоропласта. Световая, как мы уже выяснили, идет на тилакоидах, а темновая в строме — это внутренняя полужидкая среда хлоропласта.

Фотосинтез на ОГЭ и ЕГЭ. Источник: открытый банк заданий ФИПИ

В строму приходят АТФ, молекула-переносчик приносит водород. Но из водорода и энергии ничего органического создать не получится, нужны еще элементы. Растения нашли гениальный выход, они используют вещество, которого достаточно в атмосфере, следовательно, за него нет конкуренции. Это вещество — углекислый газ. 

Дальше начинается очень сложный циклический процесс, который называется цикл Кальвина. Мы не будем слишком подробно его рассматривать, это не пригодится для государственных экзаменов, но именно в нем активно работают ферменты, и на него тратится энергия АТФ, полученная в световой фазе. В результате цикла Кальвина образуется шестиуглеродный сахар-глюкоза. Далее эта глюкоза может быть переработана в крахмал и откладываться растением как запасной углевод. 

Резюмируем
  • Фиксация СО2
  • Цикл Кальвина
  • Синтез глюкозы
  • Образование крахмала

Значение фотосинтеза

На Земле, пожалуй, практически не существует процессов, которые повлияли на эволюцию планеты так же сильно, как фотосинтез. Давайте разберем основные значения фотосинтеза:

  • Сформировалась атмосфера с высоким содержанием кислорода, пригодная для дыхания. Аэробные организмы, включая человека, проводят энергетический обмен с использованием кислорода и получают энергию для жизнедеятельности.
  • Возникновение озонового слоя. Вследствие фотосинтеза в атмосфере накопился кислород, что привело к появлению озонового экрана. Жизнь, которая до этого вынуждена была развиваться под водой, боясь ультрафиолета, смогла выйти на сушу и освоить ее.
  • Синтез органических веществ. Растения — автотрофные организмы, сами производят органические вещества, которые затем используют гетеротрофы. Вещества, которые образуют растения в процессе фотосинтеза, являются первичным источником веществ и энергии практически для всех живых организмов.

Примеры заданий на фотосинтез в ЕГЭ и ОГЭ по биологии

 Вопросы по фотосинтезу встречаются как в ЕГЭ, так и в ОГЭ. Причем, если для 9 класса достаточно знать что это такое и основные этапы, то для ЕГЭ необходимо понимание последовательности процессов. Кстати, актуальна эта тема для решения новых заданий по экспериментам (2 и 22 линии в ЕГЭ 2022).  

Задание на фотосинтез в ОГЭ по биологии

Задание на фотосинтез в ОГЭ по биологии. Источник: открытый банк ФИПИ

Решение. Типичный вопрос для первой части ОГЭ из открытого банка ФИПИ. Какие из этих процессов происходят во время фотосинтеза? Возбуждение молекул хлорофилла квантом света, расщепление (фотолиз) воды и образование глюкозы. 

Во время фотосинтеза, наоборот, выделяется кислород, как побочный продукт, и поглощается углекислый газ. А синтез белка вообще проходит на рибосомах.

Ответ. 123

Задание на фотосинтез в ЕГЭ по биологии

Задание на фотосинтез в ЕГЭ по биологии. Источник: демоверсии ФИПИ

Решение. Это задание из открытого варианта 2021 года (в 2021 эти варианты заменяли варианты досрочного ЕГЭ). Необходимо соотнести процессы и фазы. В световой фазе происходит возбуждение молекулы хлорофилла, фотолиз воды и образование энергии. В темновую фазу фиксируется углекислый газ и восстановление углерода водородом для синтеза глюкозы.

Ответ. 12212

Конечно, процесс фотосинтеза значительно сложнее, чем мы с вами разобрали. Да и на ОГЭ и ЕГЭ проверяют знание многих других тем. Чтобы сдать экзамен на высокий балл, надо знать анатомию, зоологию, генетику, микробиологию и даже психологию. При этом недостаточно только хорошо разбираться в основных темах. Надо уметь избегать ловушек экзаменаторов, вчитываться в формулировки заданий и оформлять ответы в четком соответствии с критериями. Поэтому необходимо готовиться к ОГЭ и ЕГЭ по биологии системно.

Экзамен по биологии — не шутка. Если вы хотите сдать его на 90+, записывайтесь на мои курсы подготовки к ОГЭ или ЕГЭ. Мы разберемся со всеми темами, которые спрашивают в 9 или 11 классе, научимся решать задания быстро и правильно, а также разберем основные лайфхаки, которые помогут вам не стрессовать. Я также проведу с вами пробный экзамен в формате реального ОГЭ или ЕГЭ, чтобы вы были готовы к любым неожиданностям. После мы разберем все ошибки и поймем, как избежать их в будущем. Приходите на мои занятия, и я помогу вам сдать ОГЭ или ЕГЭ на самый высокий балл!

Цикл Кальвина – Концепции биологии – 1-е канадское издание

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите цикл Кальвина
  • Определение фиксации углерода
  • Объясните, как фотосинтез работает в энергетическом цикле всех живых организмов

После того, как солнечная энергия преобразуется и упаковывается в АТФ и НАДФН, клетка получает топливо, необходимое для производства пищи в виде молекул углеводов.Образовавшиеся молекулы углеводов будут иметь основу из атомов углерода. Откуда берется углерод? Атомы углерода, используемые для построения молекул углеводов, образуются из углекислого газа, газа, который животные выдыхают при каждом вдохе. Цикл Кальвина — это термин, используемый для реакций фотосинтеза, в которых используется энергия, накопленная в результате реакций, зависящих от света, для образования глюкозы и других молекул углеводов.

У растений углекислый газ (CO 2 ) проникает в хлоропласт через устьица и диффундирует в строму хлоропласта — место реакций цикла Кальвина, где синтезируется сахар.Реакции названы в честь ученого, который их открыл, и ссылаются на тот факт, что реакции функционируют как цикл. Другие называют его циклом Кальвина-Бенсона, чтобы включить имя другого ученого, участвовавшего в его открытии (рис. 5.14).

Рис. 5.14. Светозависимые реакции используют энергию солнца для производства АТФ и НАДФН. Эти молекулы, несущие энергию, попадают в строму, где происходят реакции цикла Кальвина.

Реакции цикла Кальвина (рис. 5.15) можно разделить на три основные стадии: фиксация, редукция и регенерация.В строме, в дополнение к CO 2 , присутствуют два других химических вещества, запускающих цикл Кальвина: фермент, сокращенно RuBisCO, и молекула рибулозобисфосфата (RuBP). RuBP имеет пять атомов углерода и фосфатную группу на каждом конце.

RuBisCO катализирует реакцию между CO 2 и RuBP, в результате которой образуется шестиуглеродное соединение, которое немедленно превращается в два трехуглеродных соединения. Этот процесс называется фиксацией углерода, потому что CO 2 «фиксируется» из неорганической формы в органические молекулы.

АТФ и НАДФН используют накопленную энергию для преобразования трехуглеродного соединения 3-PGA в другое трехуглеродное соединение, называемое G3P. Этот тип реакции называется реакцией восстановления, потому что он включает в себя приобретение электронов. Редукция – это приобретение электрона атомом или молекулой. Молекулы АДФ и НАД + , образующиеся в результате реакции восстановления, возвращаются к светозависимым реакциям, чтобы перезарядиться.

Одна из молекул G3P выходит из цикла Кальвина, чтобы внести свой вклад в образование молекулы углевода, которая обычно представляет собой глюкозу (C 6 H 12 O 6 ).Поскольку молекула углевода состоит из шести атомов углерода, для образования одной молекулы углевода требуется шесть оборотов цикла Кальвина (по одному на каждую фиксированную молекулу углекислого газа). Остальные молекулы G3P регенерируют RuBP, что позволяет системе подготовиться к стадии фиксации углерода. АТФ также используется в регенерации RuBP.

Рис. 5.15. Цикл Кальвина состоит из трех этапов. На стадии 1 фермент RuBisCO включает углекислый газ в органическую молекулу. На стадии 2 органическая молекула восстанавливается.На стадии 3 RuBP, молекула, запускающая цикл, регенерируется, чтобы цикл мог продолжаться.

Таким образом, требуется шесть оборотов цикла Кальвина, чтобы зафиксировать шесть атомов углерода из CO 2 . Эти шесть оборотов требуют ввода энергии от 12 молекул АТФ и 12 молекул НАДФН на стадии восстановления и 6 молекул АТФ на стадии регенерации.

Концепция в действии


Ниже приведена ссылка на анимацию цикла Кальвина. Нажмите «Этап 1», «Этап 2», а затем «Этап 3», чтобы увидеть регенерацию G3P и АТФ с образованием RuBP.

Фотосинтез

Общая история эволюции всех фотосинтезирующих организмов бросается в глаза, поскольку основной процесс мало изменился с течением времени. Даже между гигантскими тропическими листьями в тропических лесах и крошечными цианобактериями процесс и компоненты фотосинтеза, использующие воду в качестве донора электронов, остаются в основном одинаковыми. Фотосистемы поглощают свет и используют цепи переноса электронов для преобразования энергии. Реакции цикла Кальвина собирают молекулы углеводов с этой энергией.

Однако, как и во всех биохимических путях, различные условия приводят к различным адаптациям, влияющим на основной паттерн. Фотосинтез у растений, живущих в засушливом климате (рис. 5.16), развился с приспособлениями, сохраняющими воду. В суровой сухой жаре каждая капля воды и драгоценной энергии должны быть использованы, чтобы выжить. У таких растений развились две адаптации. В одной форме более эффективное использование CO 2 позволяет растениям фотосинтезировать даже при дефиците CO 2 , например, когда устьица закрыты в жаркие дни.Другое приспособление выполняет предварительные реакции цикла Кальвина ночью, потому что открытие устьиц в это время сохраняет воду из-за более низких температур. Кроме того, эта адаптация позволила растениям осуществлять низкий уровень фотосинтеза, вообще не открывая устьиц, что является экстремальным механизмом для периодов чрезвычайной засухи.

Рис. 5.16 Жизнь в суровых условиях пустыни привела к тому, что у растений, подобных этому кактусу, развились вариации реакций вне цикла Кальвина. Эти варианты повышают эффективность и помогают экономить воду и энергию.(кредит: Петр Войтковский)

Два этапа фотосинтеза — светозависимые реакции и цикл Кальвина — были описаны в том виде, в каком они происходят в хлоропластах. Однако у прокариот, таких как цианобактерии, отсутствуют мембраносвязанные органеллы. Прокариотические фотосинтезирующие автотрофные организмы имеют складки плазматической мембраны для прикрепления хлорофилла и фотосинтеза (рис. 5.17). Именно здесь такие организмы, как цианобактерии, могут осуществлять фотосинтез.

Рис. 5.17 Фотосинтезирующий прокариот имеет складчатые области плазматической мембраны, функционирующие подобно тилакоидам.Хотя они не содержатся в органелле, такой как хлоропласт, присутствуют все необходимые компоненты для осуществления фотосинтеза. (кредит: данные масштабной линейки от Мэтта Рассела)

Живые существа получают энергию, расщепляя молекулы углеводов. Однако, если растения производят молекулы углеводов, зачем им их расщеплять? Углеводы — это запасные молекулы для энергии во всех живых существах. Хотя энергия может храниться в таких молекулах, как АТФ, углеводы являются гораздо более стабильными и эффективными резервуарами для химической энергии.Фотосинтезирующие организмы также осуществляют реакции дыхания, чтобы собрать энергию, которую они запасли в углеводах, например, растения имеют митохондрии в дополнение к хлоропластам.

Вы могли заметить, что общая реакция фотосинтеза:

6CO 2 + 6H 2 O → C 612 O → C 612 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6О

— обратная общая реакция клеточного дыхания:

6O 2 + C 6 H 12 O 6 → 600CO 2 + 6H 2 O 6 O 2 + C 6 H 12 O 6 →6CO 2 +6H 2 O

Фотосинтез производит кислород в качестве побочного продукта, а дыхание производит углекислый газ в качестве побочного продукта.

В природе отходов не существует. Каждый отдельный атом материи сохраняется, перерабатываясь бесконечно. Вещества изменяют форму или переходят из одного типа молекулы в другой, но никогда не исчезают (рис. 5.18).

CO 2 является формой отходов, образующихся при дыхании, не больше, чем кислород является побочным продуктом фотосинтеза. Оба являются побочными продуктами реакций, которые переходят в другие реакции. Фотосинтез поглощает энергию для создания углеводов в хлоропластах, а аэробное клеточное дыхание высвобождает энергию, используя кислород для расщепления углеводов.Обе органеллы используют цепи переноса электронов для выработки энергии, необходимой для запуска других реакций. Фотосинтез и клеточное дыхание функционируют в биологическом цикле, позволяя организмам получать доступ к поддерживающей жизнь энергии, которая берет свое начало в звезде, находящейся за миллионы километров.

Рис. 5.18. В круговороте углерода реакции фотосинтеза и клеточного дыхания имеют общие реагенты и продукты. (кредит: модификация работы Стюарта Бэссила)

Используя энергоносители, образующиеся на первой стадии фотосинтеза, реакции цикла Кальвина фиксируют CO 2 из окружающей среды для построения молекул углеводов.Фермент RuBisCO катализирует реакцию фиксации путем объединения CO 2 с RuBP. Полученное шестиуглеродное соединение расщепляется на два трехуглеродных соединения, и энергия АТФ и НАДФН используется для преобразования этих молекул в G3P. Одна из трехуглеродных молекул G3P выходит из цикла и становится частью молекулы углевода. Оставшиеся молекулы G3P остаются в цикле, чтобы снова сформироваться в RuBP, который готов реагировать с большим количеством CO 2 . Фотосинтез образует сбалансированный энергетический цикл с процессом клеточного дыхания.Растения способны как к фотосинтезу, так и к клеточному дыханию, поскольку содержат как хлоропласты, так и митохондрии.

Глоссарий

Цикл Кальвина: реакции фотосинтеза, в которых используется энергия, запасенная светозависимыми реакциями, для образования глюкозы и других молекул углеводов

фиксация углерода: процесс преобразования неорганического газа CO 2 в органические соединения

Цикл Кальвина | Биология I

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите цикл Кальвина
  • Определение фиксации углерода
  • Объясните, как фотосинтез работает в энергетическом цикле всех живых организмов

После того, как солнечная энергия преобразуется и упаковывается в АТФ и НАДФН, клетка получает топливо, необходимое для производства пищи в виде молекул углеводов.Образовавшиеся молекулы углеводов будут иметь основу из атомов углерода. Откуда берется углерод? Атомы углерода, используемые для построения молекул углеводов, образуются из углекислого газа, газа, который животные выдыхают при каждом вдохе. Цикл Кальвина — это термин, используемый для реакций фотосинтеза, в которых используется энергия, накопленная в результате реакций, зависящих от света, для образования глюкозы и других молекул углеводов.

Взаимодействие цикла Кальвина

Рисунок 1. Светозависимые реакции используют энергию солнца для производства АТФ и НАДФН.Эти молекулы, несущие энергию, попадают в строму, где происходят реакции цикла Кальвина.

У растений углекислый газ (CO 2 ) проникает в хлоропласт через устьица и диффундирует в строму хлоропласта — место реакций цикла Кальвина, где синтезируется сахар. Реакции названы в честь ученого, который их открыл, и ссылаются на тот факт, что реакции функционируют как цикл. Другие называют его циклом Кальвина-Бенсона, чтобы включить имя другого ученого, участвовавшего в его открытии (рис. 1).

Реакции цикла Кальвина (рис. 2) можно разделить на три основные стадии: фиксация, редукция и регенерация. В строме, в дополнение к CO 2 , присутствуют два других химических вещества, запускающих цикл Кальвина: фермент, сокращенно RuBisCO, и молекула рибулозобисфосфата (RuBP). RuBP имеет пять атомов углерода и фосфатную группу на каждом конце.

RuBisCO катализирует реакцию между CO 2 и RuBP, в результате которой образуется шестиуглеродное соединение, которое немедленно превращается в два трехуглеродных соединения.Этот процесс называется фиксацией углерода, потому что CO 2 «фиксируется» из неорганической формы в органические молекулы.

АТФ и НАДФН используют накопленную энергию для преобразования трехуглеродного соединения 3-PGA в другое трехуглеродное соединение, называемое G3P. Этот тип реакции называется реакцией восстановления, потому что он включает в себя приобретение электронов. Редукция – это приобретение электрона атомом или молекулой. Молекулы АДФ и НАД + , образующиеся в результате реакции восстановления, возвращаются к светозависимым реакциям, чтобы перезарядиться.

Одна из молекул G3P выходит из цикла Кальвина, чтобы внести свой вклад в образование молекулы углевода, которая обычно представляет собой глюкозу (C 6 H 12 O 6 ). Поскольку молекула углевода состоит из шести атомов углерода, для образования одной молекулы углевода требуется шесть оборотов цикла Кальвина (по одному на каждую фиксированную молекулу углекислого газа). Остальные молекулы G3P регенерируют RuBP, что позволяет системе подготовиться к стадии фиксации углерода. АТФ также используется в регенерации RuBP.

Рисунок 2. Цикл Кальвина состоит из трех этапов. На стадии 1 фермент RuBisCO включает углекислый газ в органическую молекулу. На стадии 2 органическая молекула восстанавливается. На стадии 3 RuBP, молекула, запускающая цикл, регенерируется, чтобы цикл мог продолжаться.

Таким образом, требуется шесть оборотов цикла Кальвина, чтобы зафиксировать шесть атомов углерода из CO 2 . Эти шесть оборотов требуют ввода энергии от 12 молекул АТФ и 12 молекул НАДФН на стадии восстановления и 6 молекул АТФ на стадии регенерации.

Концепция в действии

Посмотрите эту анимацию цикла Кальвина. Нажмите «Этап 1», «Этап 2», а затем «Этап 3», чтобы увидеть регенерацию G3P и АТФ с образованием RuBP.

Эволюция в действии

Фотосинтез

Рисунок 3. Жизнь в суровых условиях пустыни привела к тому, что у растений, подобных этому кактусу, развились вариации реакций вне цикла Кальвина. Эти варианты повышают эффективность и помогают экономить воду и энергию. (кредит: Петр Войтковский)

Общая история эволюции всех фотосинтезирующих организмов бросается в глаза, поскольку основной процесс мало изменился с течением времени.Даже между гигантскими тропическими листьями в тропических лесах и крошечными цианобактериями процесс и компоненты фотосинтеза, использующие воду в качестве донора электронов, остаются в основном одинаковыми. Фотосистемы поглощают свет и используют цепи переноса электронов для преобразования энергии. Реакции цикла Кальвина собирают молекулы углеводов с этой энергией.

Однако, как и во всех биохимических путях, различные условия приводят к различным адаптациям, влияющим на основной паттерн. Фотосинтез у растений с засушливым климатом (рис. 3) развился с приспособлениями, сохраняющими воду.В суровой сухой жаре каждая капля воды и драгоценной энергии должны быть использованы, чтобы выжить. У таких растений развились две адаптации. В одной форме более эффективное использование CO 2 позволяет растениям фотосинтезировать даже при дефиците CO 2 , например, когда устьица закрыты в жаркие дни. Другое приспособление выполняет предварительные реакции цикла Кальвина ночью, потому что открытие устьиц в это время сохраняет воду из-за более низких температур. Кроме того, эта адаптация позволила растениям осуществлять низкий уровень фотосинтеза, вообще не открывая устьиц, что является экстремальным механизмом для периодов чрезвычайной засухи.

Фотосинтез у прокариот

Два этапа фотосинтеза — светозависимые реакции и цикл Кальвина — были описаны в том виде, в каком они происходят в хлоропластах. Однако у прокариот, таких как цианобактерии, отсутствуют мембраносвязанные органеллы. Прокариотические фотосинтетические автотрофные организмы имеют складки плазматической мембраны для прикрепления хлорофилла и фотосинтеза (рис. 4). Именно здесь такие организмы, как цианобактерии, могут осуществлять фотосинтез.

Рис. 4.Фотосинтетические прокариоты имеют складчатые области плазматической мембраны, которые функционируют как тилакоиды. Хотя они не содержатся в органелле, такой как хлоропласт, присутствуют все необходимые компоненты для осуществления фотосинтеза. (кредит: данные масштабной линейки от Мэтта Рассела)

Энергетический цикл

Живые существа получают энергию, расщепляя молекулы углеводов. Однако, если растения производят молекулы углеводов, зачем им их расщеплять? Углеводы — это запасные молекулы для энергии во всех живых существах.Хотя энергия может храниться в таких молекулах, как АТФ, углеводы являются гораздо более стабильными и эффективными резервуарами для химической энергии. Фотосинтезирующие организмы также осуществляют реакции дыхания, чтобы собрать энергию, которую они запасли в углеводах, например, растения имеют митохондрии в дополнение к хлоропластам.
Вы могли заметить, что общая реакция фотосинтеза:

6CO2+6h3O→C6h22O6+6O2

— обратная общая реакция клеточного дыхания:

6O2+C6h22O6→6CO2+6h3O

Фотосинтез производит кислород в качестве побочного продукта, а дыхание производит углекислый газ в качестве побочного продукта.

 

В природе отходов не существует. Каждый отдельный атом материи сохраняется, перерабатываясь бесконечно. Вещества меняют форму или переходят из одного типа молекулы в другой, но никогда не исчезают (рис. 5).

Рис. 5. В круговороте углерода реакции фотосинтеза и клеточного дыхания имеют общие реагенты и продукты. (кредит: модификация работы Стюарта Бэссила)

CO 2 является формой отходов, образующихся при дыхании, не больше, чем кислород является побочным продуктом фотосинтеза.Оба являются побочными продуктами реакций, которые переходят в другие реакции. Фотосинтез поглощает энергию для образования углеводов в хлоропластах, а аэробное клеточное дыхание высвобождает энергию, используя кислород для расщепления углеводов в митохондриях. Обе органеллы используют цепи переноса электронов для выработки энергии, необходимой для запуска других реакций. Фотосинтез и клеточное дыхание функционируют в биологическом цикле, позволяя организмам получать доступ к поддерживающей жизнь энергии, которая берет свое начало в звезде, находящейся за миллионы километров.

Резюме раздела

Используя энергоносители, образующиеся на первой стадии фотосинтеза, реакции цикла Кальвина фиксируют CO 2 из окружающей среды для построения молекул углеводов. Фермент RuBisCO катализирует реакцию фиксации путем объединения CO 2 с RuBP. Полученное шестиуглеродное соединение расщепляется на два трехуглеродных соединения, и энергия АТФ и НАДФН используется для преобразования этих молекул в G3P. Одна из трехуглеродных молекул G3P выходит из цикла и становится частью молекулы углевода.Оставшиеся молекулы G3P остаются в цикле, чтобы снова сформироваться в RuBP, который готов реагировать с большим количеством CO 2 . Фотосинтез образует сбалансированный энергетический цикл с процессом клеточного дыхания. Растения способны как к фотосинтезу, так и к клеточному дыханию, поскольку содержат как хлоропласты, так и митохондрии.

Дополнительные вопросы для самопроверки

1.Какая часть цикла Кальвина будет нарушена, если клетка не сможет вырабатывать фермент RuBisCO?

2.Объясните взаимный характер общих химических реакций фотосинтеза и дыхания.

Ответы

1. Ни один из циклов не может иметь место, потому что RuBisCO необходим для фиксации углекислого газа. В частности, RuBisCO катализирует реакцию между диоксидом углерода и RuBP в начале цикла.

2. Фотосинтез использует энергию солнечного света и объединяет воду и углекислый газ для производства сахара и кислорода в качестве отходов. Реакции дыхания поглощают сахар и потребляют кислород, чтобы расщепить его на углекислый газ и воду, высвобождая энергию.Таким образом, реагенты фотосинтеза являются продуктами дыхания, и наоборот.

2.22: Цикл Кальвина — Биология LibreTexts

Они полны энергии. Энергия в виде глюкозы. Энергия солнечного света на короткое время содержится в НАДФН и АТФ, которые необходимы для образования сахаров, таких как глюкоза. И все это происходит в цикле Кальвина.

Цикл Кальвина

Изготовление пищи «из воздуха»

Вы узнали, что на первом светозависимом этапе фотосинтеза используются два из трех реагентов, вода и свет, и образуется один из продуктов, газообразный кислород. (отходы этого процесса).Требуются все три необходимых условия — хлорофилловые пигменты, хлоропластный «театр» и ферментативные катализаторы. На первом этапе световая энергия преобразуется в химическую энергию, запасенную к этому моменту в молекулах АТФ и НАДФН. Посмотрите еще раз на общее уравнение ниже. Что осталось?

Ждет своего часа еще один реагент — углекислый газ, а еще впереди звездный продукт, пища для всего живого — глюкоза. Эти ключевые игроки выступают во втором акте драмы фотосинтеза, в которой пища «сделана из воздуха!»

Второй этап фотосинтеза может протекать без света, поэтому его этапы иногда называют «светонезависимыми» или «темновыми» реакциями (хотя термин «темновые» реакции может вводить в заблуждение).Многие биологи чтят ученого Мелвина Кальвина, который получил Нобелевскую премию 1961 года за разработку этого сложного набора химических реакций, называя его циклом Кальвина .

Цикл Кальвина состоит из двух частей. Первый углекислый газ является «фиксированным». Затем АТФ и НАДФН из световых реакций обеспечивают энергию для соединения фиксированных углеродов с образованием сахара.

Цикл Кальвина обсуждается на http://www.youtube.com/watch?v=slm6D2VEXYs (13:28)

Углекислый газ «фиксируется»

Почему углекислый газ необходимо фиксировать ? Был ли он когда-нибудь сломан?

Жизнь на Земле основана на углероде.Для построения тел организмам нужна не только энергия, но и атомы углерода. Практически на протяжении всей жизни основным источником углерода является двуокись углерода (CO 2 ), неорганическая молекула. CO 2 составляет менее 1% атмосферы Земли.

Животные и большинство других гетеротрофов не могут напрямую потреблять CO 2 . Они должны есть другие организмы или поглощать органических молекул , чтобы получить углерод. Только автотрофы могут превращать низкоэнергетический неорганический CO 2 в высокоэнергетические органические молекулы, такие как глюкоза.Этот процесс называется фиксацией углерода .

Устьица на нижней стороне листьев поглощают CO 2 и выделяют воду и O 2 . Защитные клетки закрывают устьица при недостатке воды. Поперечный разрез листа (вверху) и устьица (внизу).

Растения развили три пути фиксации углерода.

В наиболее распространенном пути одна молекула CO 2 сочетается с 5-углеродным сахаром, называемым рибулозобифосфатом (RuBP). Фермент, который катализирует эту реакцию (по прозвищу RuBisCo ), является самым распространенным ферментом на Земле! Образовавшаяся 6-углеродная молекула нестабильна, поэтому сразу распадается на две 3-углеродные молекулы.3 атома углерода в первой стабильной молекуле этого пути дают этой самой большой группе растений название «C 3 ».

Сухой воздух, высокая температура и яркий солнечный свет замедляют C 3 путь фиксации углерода. Это связано с тем, что устьица , крошечные отверстия под листом, которые обычно позволяют CO 2 войти и O 2 выйти, должны быть закрыты, чтобы предотвратить потерю водяного пара ( рисунок выше). Закрытые устьица приводят к нехватке СО 2 .Два альтернативных пути фиксации углерода демонстрируют биохимическую адаптацию к разным условиям.

Такие растения, как кукуруза, решают эту проблему, используя отдельный отсек для фиксации CO 2 . Здесь CO 2 соединяется с 3-углеродной молекулой, в результате чего получается 4-углеродная молекула. Поскольку первая стабильная органическая молекула имеет четыре атома углерода, эта адаптация получила название C 4 . Удаленная от первоначального места фиксации, четырехуглеродная молекула фактически расщепляется обратно на CO 2 , и когда накапливается достаточное количество, RuBisCo фиксирует ее во второй раз! Разделение позволяет эффективно использовать низкие концентрации углекислого газа в этих специализированных установках.

Для получения дополнительной информации см. http://www.youtube.com/watch?v=7ynX_F-SwNY (16:58).

Кактусы и суккуленты, такие как нефрит, предотвращают потерю воды, фиксируя CO 2 только ночью. Эти растения закрывают устьица днем ​​и открывают их только в более прохладные и влажные ночные часы. Структура листа несколько отличается от таковой у растений С 4 , но пути фиксации сходны. Семейство растений, у которых был обнаружен этот путь, дало ему название «Метаболизм крассуловой кислоты» или САМ (, рисунок ниже).Все три пути фиксации углерода ведут к циклу Кальвина для образования сахара.

См. http://www.youtube.com/watch?v=xp6Zj24h8uA (8:37) для получения дополнительной информации.

Даже химические реакции адаптируются к конкретным условиям! Пути фиксации углерода различаются среди трех групп. Виды умеренного пояса (клен, слева) используют путь C 3 . C 4 виды (кукуруза, в центре) концентрируют CO 2 в отдельном отсеке, чтобы уменьшить потери воды в жарком ярком климате.Пустынные растения (нефритовое растение, справа) фиксируют CO 2 только ночью, закрывая устьица днем ​​для экономии воды.

Как цикл Кальвина сохраняет энергию в сахаре?

Как обнаружил Мелвин Кальвин, фиксация углерода — это первый этап цикла. Подобно цепи переноса электронов, цикл Кальвина, показанный на рисунке ниже, передает энергию небольшими контролируемыми шагами. Каждый шаг толкает молекулы вверх с точки зрения содержания энергии. Напомним, что в цепи переноса электронов возбужденные электроны теряют энергию на НАДФН и АТФ.В цикле Кальвина НАДФН и АТФ, образующиеся в световых реакциях, теряют запасенную химическую энергию для образования глюкозы.

Используйте рисунок ниже, чтобы определить основные аспекты процесса:

  • общая схема цикла
  • основные реагенты
  • продукты

Обзор пути цикла Кальвина.

Во-первых, обратите внимание, где углерод фиксируется ферментом по прозвищу RuBisCo. В растениях C 3 , C 4 и САМ CO 2 вступает в цикл, соединяясь с 5-углеродным рибулозобисфосфатом с образованием 6-углеродного промежуточного соединения, которое расщепляется (так быстро, что даже не показано). !) на две трехуглеродные молекулы.

Теперь найдите точки, в которых АТФ и НАДФН (образующиеся в световых реакциях) добавляют химическую энергию («Восстановление» на диаграмме) трехуглеродным молекулам. Образовавшиеся «полусахара» могут участвовать в нескольких различных метаболических путях. Один воссоздает исходный 5-углеродный предшественник, завершая цикл. Второй объединяет две из трех углеродных молекул, образуя глюкозу, универсальное топливо для жизни.

Цикл начинается и заканчивается с одной и той же молекулы, но процесс объединяет углерод и энергию для создания углеводов — пищи для жизни.

Итак, как фотосинтез запасает энергию в сахаре? Шесть «витков» цикла Кальвина используют химическую энергию АТФ для соединения шести атомов углерода шести молекул CO 2 с 12 «горячими атомами водорода» НАДФН. В результате получается одна молекула глюкозы, C 6 H 12 O 6 .

Цикл Кальвина: определение, функции, шаги и продукты

Определение цикла Кальвина

Цикл Кальвина — это цикл химических реакций, осуществляемых растениями для «фиксации» углерода из CO 2 в трехуглеродные сахара.

Позже растения и животные могут превращать эти трехуглеродные соединения в аминокислоты, нуклеотиды и более сложные сахара, такие как крахмалы.

Этот процесс «фиксации углерода» — это то, как создается большинство новых органических веществ. Сахара, созданные в цикле Кальвина, также используются растениями для долговременного хранения энергии, в отличие от АТФ, который быстро расходуется после его образования.

Эти растительные сахара также могут стать источником энергии для животных, поедающих растения, и хищников, поедающих этих травоядных.

Цикл Кальвина также иногда называют «независимой от света» реакцией фотосинтеза, поскольку он не питается непосредственно фотонами Солнца. Вместо этого цикл Кальвина питается от АТФ и НАДФН, которые создаются путем использования энергии фотонов в реакциях, зависящих от света.

Функция цикла Кальвина

Функция цикла Кальвина заключается в создании трехуглеродных сахаров, которые затем можно использовать для создания других сахаров, таких как глюкоза, крахмал и целлюлоза, которые используются растениями в качестве структурного строительного материала. .Цикл Кальвина берет молекулы углерода прямо из воздуха и превращает их в растительные вещества.

Это делает цикл Кальвина жизненно важным для существования большинства экосистем, где растения составляют основу энергетической пирамиды. Без цикла Кальвина растения не смогли бы запасать энергию в форме, которую могли бы переваривать травоядные. Хищники впоследствии не имели бы доступа к энергии, хранящейся в телах травоядных!

Углеродные скелеты, созданные в цикле Кальвина, также используются растениями и животными для производства белков, нуклеиновых кислот, липидов и всех других строительных блоков жизни.

Цикл Кальвина также регулирует уровень углекислого газа, парникового газа, в атмосфере Земли. Ученые выразили обеспокоенность тем, что, помимо выброса огромного количества CO 2 обратно в воздух путем сжигания угля, нефти и бензина, люди также вырубили около половины всех лесов Земли, которые играют важную роль в удалении CO. 2 с воздуха.

Ниже мы обсудим, как цикл Кальвина создает простые сахара из CO 2 .

Этапы цикла Кальвина

Фиксация углерода

При фиксации углерода молекула CO 2 из атмосферы соединяется с пятиуглеродной акцепторной молекулой, называемой рибулозо-1,5-бисфосфатом (RuBP).

Полученное шестиуглеродное соединение затем расщепляется на две молекулы трехуглеродного соединения, 3-фосфоглицериновой кислоты (3-PGA).

Эта реакция катализируется ферментом карбоксилазой/оксигеназой RuBP, также известным как RuBisCO. Из-за ключевой роли, которую он играет в фотосинтезе, RuBisCo, вероятно, является самым распространенным ферментом на Земле.

Восстановление

На второй стадии цикла Кальвина молекулы 3-PGA, образующиеся в результате фиксации углерода, превращаются в молекулы простого сахара – глицеральдегид-3-фосфата (G3P).

На этом этапе используется энергия АТФ и НАДФН, образующихся в результате светозависимых реакций фотосинтеза. Таким образом, цикл Кальвина становится способом, которым растения преобразуют энергию солнечного света в молекулы длительного хранения, такие как сахара. Энергия от АТФ и НАДФН передается сахарам.

Этот этап называется «восстановлением», потому что НАДФН отдает электроны молекулам 3-фосфоглицериновой кислоты с образованием глицеральдегид-3-фосфата. В химии процесс отдачи электронов называется «восстановлением», а процесс захвата электронов называется «окислением».

Регенерация

Некоторые молекулы глицеральдегида-3 фосфата используются для производства глюкозы, в то время как другие должны быть переработаны для регенерации пятиуглеродного соединения RuBP, которое используется для приема новых молекул углерода.

Для процесса регенерации требуется АТФ. Это сложный процесс, включающий множество этапов.

Поскольку для образования глюкозы требуется шесть молекул углерода, этот цикл необходимо повторить шесть раз, чтобы получить одну молекулу глюкозы.

Для выполнения этого уравнения пять из шести молекул глицеральдегида-3 фосфата, созданных в ходе цикла Кальвина, регенерируются с образованием молекул RuBP. Шестой выходит из цикла и становится половиной молекулы глюкозы.

Схема цикла Кальвина

Продукты цикла Кальвина

Каждый оборот цикла Кальвина «фиксирует» одну молекулу углерода, которую можно использовать для производства сахара.

Для создания одной молекулы фосфата глицеральдегида-3 требуется три оборота цикла Кальвина.

После шести оборотов цикла Кальвина две молекулы глицеральдегида-3 фосфата могут быть объединены в молекулу глюкозы.

Каждый виток цикла Кальвина также использует 3 АТФ и 2 НАДФН в процессах восстановления (присоединения электронов) 3-фосфоглицериновой кислоты с образованием глицеральдегид-3 фосфата и регенерации RuBP, чтобы они могли принять новый атом углерода от СО2 из воздуха.

Это означает, что для производства одной молекулы глюкозы расходуется 18 АТФ и 12 НАДФН.

  • Хлоропласт – Органелла в клетках растений, в которой энергия солнечного света превращается в АТФ и сахар.
  • Энергетическая пирамида — схема, иллюстрирующая поток энергии через экосистему.
  • Фотосинтез – Процесс, посредством которого живые существа улавливают энергию солнечного света и используют ее для производства топлива и органических материалов для построения своих клеток.

Тест

1. Почему цикл Кальвина важен для большинства экосистем?
A. Он превращает углекислый газ из воздуха в углерод, который живые существа могут использовать для производства сахаров, белков, нуклеотидов и липидов.
B. Он хранит энергию солнечного света в виде сахара длительного хранения, который может быть использован растениями или съеден животными для формирования основы пищевой цепи.
C. Удаляет из воздуха углекислый газ, являющийся парниковым газом.
Д. Все вышеперечисленное.

Ответ на вопрос №1

D верно. Все вышеперечисленное является причиной того, почему цикл Кальвина так важен!

2. Почему вторая фаза цикла Кальвина называется «редукцией»?
A. Поскольку он уменьшает количество атомов углерода в 3-фосфоглицериновой кислоте.
B. Потому что это уменьшает количество энергии во всей системе.
C. Поскольку НАДФН отдает электроны 3-фосфоглицериновой кислоте, это химический процесс, называемый «восстановлением».
Д. Ничего из вышеперечисленного.

Ответ на вопрос №2

C верно. В химии «восстановить» что-либо означает придать этому электроны. НАДФН отдает электроны 3-фосфоглицериновому действию на стадии «восстановления» цикла Кальвина.

3. Какой источник АТФ и НАДФН используется в цикле Кальвина?
A. Аэробное дыхание в митохондриях.
B. Энергия солнечного света в хлоропластах.
C. Энергия, полученная из летучих химических веществ, таких как железо, водород или аммиак.
D. Ничего из вышеперечисленного.

Ответ на вопрос №3

B верно. Цикл Кальвина питается от энергии солнечного света в хлоропластах. Цикл осуществляется фотосинтезирующими растениями: аэробное дыхание и хемосинтез, описанные в других ответах, используются другими видами форм жизни.

Легкие независимые реакции (также известные как цикл Кальвина) – Принципы биологии

После того, как энергия солнца преобразована и упакована в АТФ и НАДФН, клетка получает топливо, необходимое для построения молекул углеводов.Образовавшиеся молекулы углеводов будут иметь основу из атомов углерода. Откуда берется углерод? Атомы углерода, используемые для построения молекул углеводов, поступают из углекислого газа, который диффундирует в листья через устьица. Цикл Кальвина — это термин, используемый для реакций фотосинтеза, в которых используется энергия, накопленная светозависимыми реакциями, для образования глюкозы и других молекул углеводов ( рис. 1 ).

Рисунок 1  Светозависимые реакции используют энергию солнца для производства АТФ и НАДФН.Эти молекулы, несущие энергию, попадают в строму, где происходят реакции цикла Кальвина.

У растений углекислый газ (CO 2 ) проникает в хлоропласт через устьица и диффундирует в строму хлоропласта — место реакций цикла Кальвина, где синтезируется сахар. Реакции названы в честь ученого, который их открыл, и ссылаются на тот факт, что реакции функционируют как цикл. Другие называют его циклом Кальвина-Бенсона, чтобы включить имя другого ученого, участвовавшего в его открытии.

Рисунок 2 Световые реакции используют энергию солнца для образования химических связей, АТФ и НАДФН. Эти несущие энергию молекулы производятся в строме, где происходит фиксация углерода.

Реакции цикла Кальвина ( Рисунок 2 ) можно разделить на три основные стадии: фиксация, восстановление и регенерация. В строме, в дополнение к CO 2 , присутствуют две другие молекулы, запускающие цикл Кальвина: фермент, сокращенно RuBisCO (что означает рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа, если вам интересно), и молекула рибулозобисфосфата (RuBP).RuBP имеет пять атомов углерода и фосфатную группу на каждом конце.

Рисунок 3 Цикл Кальвина состоит из трех этапов. На этапе 1 фермент RuBisCO включает углекислый газ в органическую молекулу 3-PGA. На стадии 2 органическая молекула восстанавливается с помощью электронов, поставляемых НАДФН. На стадии 3 RuBP, молекула, запускающая цикл, регенерируется, чтобы цикл мог продолжаться. В каждый момент времени включается только одна молекула углекислого газа, поэтому цикл необходимо завершить три раза, чтобы получить одну молекулу GA3P, состоящую из трех атомов углерода, и шесть раз, чтобы получить молекулу глюкозы, состоящую из шести атомов углерода.

RuBisCO катализирует реакцию между CO 2 и RuBP, в результате которой образуется шестиуглеродное соединение, которое немедленно превращается в два трехуглеродных соединения. Этот процесс называется фиксацией углерода , потому что СО 2 «фиксируется» из неорганической формы в органические молекулы. Вы можете думать об этом как о преобразовании углерода из «сломанной» формы в CO 2 (которую организмы не могут использовать напрямую) в «фиксированную» форму, которую организмы могут использовать.Из-за этой очень важной роли в фотосинтезе RuBisCO, вероятно, является самым распространенным ферментом на земле.

АТФ и НАДФН используют накопленную энергию для преобразования трехуглеродного соединения 3-PGA в другое трехуглеродное соединение, называемое G3P. Этот тип реакции называется реакцией восстановления, потому что он включает в себя приобретение электронов. Редукция – это приобретение электрона атомом или молекулой. Молекулы АДФ и НАД + , образующиеся в результате реакции восстановления, возвращаются к светозависимым реакциям, чтобы перезарядиться.

Одна из молекул G3P выходит из цикла Кальвина, чтобы внести свой вклад в образование молекулы углевода, которая обычно представляет собой глюкозу (C 6 H 12 O 6 ). Поскольку молекула углевода состоит из шести атомов углерода, для образования одной молекулы углевода требуется шесть оборотов цикла Кальвина (по одному на каждую фиксированную молекулу углекислого газа). Остальные молекулы G3P регенерируют RuBP, что позволяет системе подготовиться к стадии фиксации углерода. АТФ также используется в регенерации RuBP.

Таким образом, требуется шесть оборотов цикла Кальвина, чтобы зафиксировать шесть атомов углерода из CO 2 . Эти шесть оборотов требуют ввода энергии от 12 молекул АТФ и 12 молекул НАДФН на стадии восстановления и 6 молекул АТФ на стадии регенерации.

Соединение эволюции

В процессе фотосинтеза у пустынных растений развились приспособления, сохраняющие воду. В суровую сухую жару каждая капля воды должна быть использована, чтобы выжить. Поскольку устьица должны открываться, чтобы обеспечить поглощение CO 2 , вода уходит из листа во время активного фотосинтеза.Пустынные растения развили процессы, позволяющие экономить воду и справляться с суровыми условиями. Более эффективное использование CO 2 позволяет растениям адаптироваться к жизни с меньшим количеством воды. Некоторые растения, такие как кактусы, могут подготавливать материалы для фотосинтеза ночью с помощью процесса временной фиксации / хранения углерода, потому что открытие устьиц в это время сохраняет воду из-за более низких температур. Кроме того, кактусы развили способность осуществлять низкий уровень фотосинтеза, вообще не открывая устьиц, что является экстремальным механизмом для периодов чрезвычайной засухи.

С помощью энергоносителей, образующихся на первых этапах фотосинтеза, светонезависимые реакции, или цикл Кальвина, берут CO 2 из окружающей среды. Фермент, RuBisCO, катализирует реакцию с CO 2 и другой молекулой, RuBP. После трех циклов трехуглеродная молекула G3P выходит из цикла и становится частью молекулы углевода. Оставшиеся молекулы G3P остаются в цикле для регенерации в RuBP, который затем готов к реакции с большим количеством CO 2 .Фотосинтез образует энергетический цикл с процессом клеточного дыхания. Растениям необходимы как фотосинтез, так и дыхание для их способности функционировать как на свету, так и в темноте, а также для взаимного превращения основных метаболитов. Следовательно, растения содержат как хлоропласты, так и митохондрии.

Если не указано иное, изображения на этой странице лицензированы OpenStax в соответствии с CC-BY 4.0.

Текст адаптирован из: OpenStax, Concepts of Biology. OpenStax CNX. 18 мая 2016 г. http://cnx.org/contents/[email protected]

Цикл Кальвина | SchoolWorkHelper

– циклический процесс в строме, превращающий углекислый газ в молекулы углеводов

– три фазы: 1) фиксация углерода, 2) реакция восстановления, 3) регенерация РБФ

Фаза 1: фиксация углерода

– C0 2 добавляется к RuBP -> нестабильное 6-углеродное промежуточное соединение -> 2 3-углеродные PGA

– требуется три раза, 3 CO 2 + 3 RuBP -> 6 PGA

– называется C 3 фотосинтез , потому что первое полученное соединение содержит 3 атома углерода; большинство растений

– реакция катализируется ферментом rubisco

Фаза 2: Реакции восстановления

– каждый PGH фосфорилирован АТФ; 6 ФГК + 6 АТФ -> 6 1, 3-БФГ

– шесть НАДФН восстанавливают (переносят 2 электрона) шесть 1,3-БФГ -> 6 Г3Ф

– одна молекула Г3Ф выходит из цикла как конечный продукт

Фаза 3: Регенерация RuBP

– пять оставшихся G3P используются для регенерации трех молекул RuBP

– 5 G3P + 3 АТФ -> RuBP

– RuBP снова входит в цикл, чтобы зафиксировать больше углерода, и процесс повторяется

Результат

– Г3Ф, выходящие из цикла, используются для синтеза более крупных сахаров, таких как глюкоза

– 3 СО молекул, необходимых для поддержания цикла

– 6 оборотов цикла необходимы для фиксации достаточного количества СО 2 , чтобы сделать одну молекулу глюкозы

Самодостаточной для энергетических нужд

– для синтеза одного G3P требуется 9 АТФ и 6 НАДФ H

Легкие реакции:

– каждые 4 e (из 2H 2 O) добавляет 12 протонов к H + резервуар -> 3 АТФ

– эти 3 3 – 90 4 e 90 НАДФН

– эти 3 АТФ и 2 НАДФН используются в цикле Кальвина для каждого произведенного Г3Ф компенсируется циклическим течением.

Примечание : Количества НАДФН и НАДФ + в строме регулируют циклический и нециклический поток. Когда имеется много NADPH, циклический поток предпочтительнее, поскольку будет мало доступных NADP + , что замедляет нециклический поток.

Где глюкоза!?

– глюкоза синтезируется из G3P в результате ряда катализируемых ферментами реакций в строме или цитоплазме

– если производится больше глюкозы, чем требуется клетке, избыток глюкозы полимеризуется в молекулы амилазы и амилопектина и запасает их в виде крахмала гранулы

– 1/3 G3P превращается в крахмал, остальные 2/3 G3P превращаются в сахарозу и транспортируются в другие клетки растения

Автор: William Anderson (редакционная группа школьного помощника)
https:// школьный помощник.net/

Репетитор и писатель-фрилансер. Учитель естественных наук и любитель сочинений. Последняя рецензия статьи: 2020 | Институт Святой Розмари © 2010-2021 | Creative Commons 4.0

Схема и объяснение цикла Кальвина

Цикл Кальвина представляет собой набор независимых от света окислительно-восстановительных реакций, которые происходят во время фотосинтеза и фиксации углерода для преобразования углекислого газа в сахарную глюкозу. Эти реакции происходят в строме хлоропласта, которая представляет собой заполненную жидкостью область между тилакоидной мембраной и внутренней мембраной органеллы.Вот взгляд на окислительно-восстановительные реакции, которые происходят во время цикла Кальвина.

Другие названия цикла Кальвина

Возможно, вы знаете цикл Кальвина под другим названием. Набор реакций также известен как темновые реакции, цикл C3, цикл Кальвина-Бенсона-Бэсшема (CBB) или восстановительный пентозофосфатный цикл. Цикл был открыт в 1950 году Мелвином Кальвином, Джеймсом Бэсшемом и Эндрю Бенсоном в Калифорнийском университете в Беркли. Они использовали радиоактивный углерод-14, чтобы проследить путь атомов углерода при фиксации углерода.

Обзор цикла Кальвина

Схема цикла Кальвина. Атомы представлены следующими цветами: черный = углерод, белый = водород, красный = кислород, розовый = фосфор.

Майк Джонс/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0

Цикл Кальвина является частью фотосинтеза, который происходит в два этапа. На первом этапе химические реакции используют энергию света для производства АТФ и НАДФН. На втором этапе (цикл Кальвина или темновые реакции) углекислый газ и вода превращаются в органические молекулы, такие как глюкоза.Хотя цикл Кальвина можно назвать «темновыми реакциями», эти реакции на самом деле не происходят в темноте или в ночное время. Для реакций требуется сниженный НАДФ, который возникает в результате светозависимой реакции. Цикл Кальвина состоит из:

  • Фиксация углерода — Двуокись углерода (CO 2 ) реагирует с образованием глицеральдегид-3-фосфата (G3P). Фермент RuBisCO катализирует карбоксилирование 5-углеродного соединения с образованием 6-углеродного соединения, которое расщепляется пополам с образованием двух молекул 3-фосфоглицерата (3-PGA).Фермент фосфоглицераткиназа катализирует фосфорилирование 3-PGA с образованием 1,3-бифосфоглицерата (1,3BPGA).
  • Реакции восстановления — Фермент глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа катализирует восстановление 1,3BPGA с помощью NADPH.
  • Регенерация рибулозо-1,5-бисфосфата (RuBP) — В конце регенерации чистый прирост по совокупности реакций составляет одну молекулу G3P на 3 молекулы углекислого газа.

Химическое уравнение цикла Кальвина

Общее химическое уравнение цикла Кальвина:

  • 3 CO 2 + 6 NADPH + 5 H 2 O + 9 ATP → глицеральдегид-3-фосфат (G3P) + 2 H + + 6 NADP + + 9 ADP + 8 Pi (Pi = неорганический фосфат)

Для получения одной молекулы глюкозы требуется шесть запусков цикла.Избыток G3P, образующийся в результате реакций, может быть использован для образования различных углеводов в зависимости от потребностей растения.

Примечание о независимости от света

Хотя этапы цикла Кальвина не требуют света, процесс происходит только при наличии света (дневное время). Почему? Потому что это пустая трата энергии, потому что нет потока электронов без света. Таким образом, ферменты, приводящие в действие цикл Кальвина, регулируются так, чтобы они зависели от света, хотя сами химические реакции не требуют фотонов.

Ночью растения превращают крахмал в сахарозу и выделяют ее во флоэму. Растения САМ накапливают яблочную кислоту ночью и выделяют ее днем. Эти реакции также известны как «темновые реакции».

Источники

  • Бэсшем Дж., Бенсон А., Кэлвин М. (1950). «Путь углерода в фотосинтезе». J Biol Chem 185 (2): 781–7. PMID 14774424.
.

0 comments on “Выход из цикла кальвина: Ошибка! Страница не найдена, код ошибки 404

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.