Общий ход фотолиза воды.

В процессе фотолиза воды проявляется суть фотохимической работы, осуществляемой при фотосинтезе. Но окисление воды происходит при условии, что выбитый из молекулы П6 8 0 электрон передается акцептору и далее в электронтранспортную цепь (ЭТЦ) (рис.). В ЭТЦ фотосистемы-2 переносчиками электронов служат пластохинон, цитохромы, пластоцианин (белок, содержащий медь), ФАД, НАДФ и др.

Выбитый из молекулы П700 электрон захватывается белком, содержащим железо и серу, и передается на ферредоксин. В дальнейшем путь этого электрона может быть двояким. Один из этих путей состоит из поочередного переноса электрона от ферредоксина через ряд переносчиков снова к П700. Затем квант света выбивает следующий электрон из молекулы П700. Этот электрон доходит до ферредоксина и снова возвращается к молекуле хлорофилла. Явно прослеживается цикличность процесса. При переносе электрона от ферредоксина энергия электронного возбуждения идет на образование АТФ из АДФ и Н3Р04. Этот вид фотофосфорилирования назван Р.

Арноном циклическим.

Циклическое фотофосфорилирование теоретически может протекать и при закрытых устьицах, ибо для него обмен с атмосферой необязателен.

Нециклическое фотофосфорилирование протекает с участием обеих фотосистем. В этом случае выбитые из П7 0 0 электроны и протон Н + доходят до ферредоксина и переносятся через ряд переносчиков (ФАД и др.) на НАДФ с образованием восстановленного НАДФН2. Последний, как сильный восстановитель, используется в темновых реакциях фотосинтеза. Восстановление НАДФ идет по схеме:

НАДФ + 2Н+ + 2е- НАДФ •Н2.

Одновременно молекула хлорофилла П680 поглотив квант света, также переходит в возбужденное состояние, отдавая один электрон. Пройдя через ряд переносчиков, электрон восполняет электронную недостаточность в молекуле П 700. Электронная же «дырка» хлорофилла П680 восполняется за счет электрона от иона ОН- — одного из продуктов фотолиза воды. Энергия электрона, выбитого квантом света из П 680, при переходе через электронтранспортную цепь к фотосистеме 1 идет на осуществление фотофосфорилирования. При нециклическом транспорте электронов, как видно из схемы, происходит фотолиз воды и выделение свободного кислорода.

5.2. Пространственная организация ЭТЦ в тилакоидной мембране.

Фотосинтетическое фосфорилирование.

Перенос электронов является основой рассмотренного механизма фотофосфорилирования. Английский биохимик П. Митчелл выдвинул теорию фотофосфорилирования, получившую название хемиосмотической теории. ЭТЦ хлоропластов, как известно, расположена в мембране тилакоида. Один из переносчиков электронов в ЭТЦ (пластохинон), по гипотезе П. Митчелла, переносит не только электроны, но и протоны (Н + ), перемещая их через мембрану тилакоида в направлении снаружи внутрь. Внутри мембраны тилакоида с накоплением протонов среда подкисляется и в связи с этим возникает градиент рН: наружная сторона становится менее кислой, чем внутренняя. Этот градиент повышается также благодаря поступлению протонов — продуктов фотолиза воды.

Разность рН между наружной стороной мембраны и внутренней создает значительный источник энергии. С помощью этой энергии протоны по особым канальцам в специальных грибовидных выростах на наружной стороне мембраны тилакоида выбрасываются наружу. В указанных каналах находится фактор сопряжения (особый белок), который способен принимать участие в фотофосфорилировании.

Предполагается, что таким белком является фермент АТФаза, катализирующий реакцию распада АТФ, но при наличии энергии перетекающих сквозь мембрану протонов — и ее синтез. Пока существует градиент рН и, следовательно, пока происходит перемещение электронов по цепи переносчиков в фотосистемах, будет происходить и синтез АТФ. Подсчитано, что на каждые два электрона, прошедшие через ЭТЦ внутри тилакоида, накапливается четыре протона, а на каждые три протона, выброшенные с участием фактора сопряжения из мембраны наружу, синтезируется одна молекула АТФ.

Таким образом, в результате световой фазы за счет энергии света образуются АТФ и НАДФ • Н2, используемые в темновой фазе, а продукт фотолиза воды О2 выделяется в атмосферу. Суммарное уравнение световой фазы фотосинтеза может быть выражено так:

2Н2О + 2НАДФ + 2АДФ + 2Н3РО4 2НАДФ • Н2 + 2 АТФ + О2

– – –

Фотохимическая фаза фотосинтеза. Электрон-транспортная цепь фотосинтеза.

1.

Циклический, нециклический и псевдоциклический электронный транспорт.

2.

Пространственная организация ЭТЦ в тилакоидной мембране.

3.

Фотосинтетическое фосфорилирование.

4.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

1. Ильина Н.А.Физиология и биохимия растений: Учебное пособие / Н.А. Ильина, И.В.

Сергеева, А.И. Перетятко - Ульяновск-Саратов, 2013. - 335 с.ISBN 978-5-86045-613-6

2. Кошкин, Е. И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур: учебник / Е.

И. Кошкин. - М.: Дрофа, 2010. - 638 с.: ил. - (Учебники и учеб. пособия для студентов высш.

учеб. заведений). - ISBN 978-5-358-07798-0

3. Сергеева, И.В.Физиология растений с основами экологии: Учебное пособие / И.В.

Сергеева, А.И. Перетятко - Саратов, 2011. - 348 с.ISBN 978-5-7011-0740-1

4. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений / под ред. Н.Н. Третьякова. М.

: Колос, 2005. - 639 с.ISBN 5-10-002915-3

Дополнительная

1. Биохимия: учебник / В. Г. Щербаков, В. Г. Лобанов, Т. Н. Прудникова. - 3-е изд., испр. и доп. - СПб.: ГИОРД, 2009. - 472 с.: ил. - ISBN 5-98879-008-9

2. Козьмина, Н. П. Зерноведение с основами биохимии растений: научное издание / Н. П.

Козьмина, В. А. Гунькин, Г. М. Суслянок. - М.: Колос, 2006. - 464 с.: ил. - (Теоретические основы прогрессивных технологий: биотехнология). - ISBN 5-10-0039.

– – –

ФОТОСИНТЕЗ

6.1. Химизм процессов ассимиляции углерода в фотосинтезе. Цикл Кальвина, основные ферменты и механизмы регуляции цикла. Фотодыхание.

Темновая фаза фотосинтеза протекает без непосредственного участия световой энергии, за счет энергии АТФ и с помощью донора водорода НАДФ·Н2, образовавшихся в световую фазу.

Сущность темновой фазы фотосинтеза составляет цикл Кальвина-Бенсона.

Темновая фаза фотосинтеза состоит из следующих реакций:

1) карбоксилирование;

2) восстановление;

3) регенерация акцептора СО2 рибулозо-1,5-бисфосфата (РуБФ).

Упрощнная схема темновой фазы фотосинтеза показана на рис.6.3.

Восстановление СО2 по циклу Кальвина-Бенсона наблюдается у большинства растений Земли. Первыми устойчивыми продуктами фиксации СО2 являются трехуглеродные соединения (ФГК, ФГА, ФДОА). Этот способ фиксации СО2 носит название С3-пути фотосинтеза, а растения, использующие этот путь называются С3-растениями.

Таким образом, в световую стадию фотосинтеза осуществляется преобразование электромагнитной энергии квантов света в энергию химических связей лабильных (неустойчивых) соединений – АТФ и НАДФ·Н2. В темновую фазу фотосинтеза АТФ и НАДФ·Н2 преобразуются в потенциальную энергию химических связей стабильных продуктов – сахаров и других органических соединений, обладающих меньшей, химической активностью, чем предшествующие соединения.

Рис. 2.7. Упрощенная схема цикла Кальвина-Бенсона

Фотодыхание — это индуцированное светом поглощение кислорода и выделение СО2, которое наблюдается только в растительных клетках, содержащих хлоропласты.

Химизм этого процесса значительно отличается от «темнового» дыхания митохондрий. Первичным продуктом фотодыхания является гликолевая кислота, поэтому такой путь окисления получил название глико- латного. Фотодыхание осуществляется в результате взаимодействия трех органелл — хлоропластов, пероксисом и митохондрий. В основе фотодыхания лежит способность ключевого фермента цикла Кальвина РДФ-карбоксилазы в условиях высокого парциального давления кислорода выполнять оксигеназную функцию, т. е. катализировать окислительное расщепление рибу- лозо-1,5-дифосфата на 3-фосфоглицериновую кислоту и 2-фос- фогликолевую кислоту, содержащую два атома углерода. 3-ФГК поступает в цикл Кальвина, а 2-фосфогликолевая кислота подвергается дефосфорилированию с образованием гликолата. Гликолат из хлоропласта поступает в пероксисому — органеллу овальной формы, окруженную одинарной мембраной. Здесь гликолат под действием гликолатоксидазы окисляется до глиоксилата. Образующаяся при этом перекись водорода расщепляется при участии фермента каталазы. Глиоксилат затем превращается в аминокислоту глицин в результате реакции трансаминирования.

В качестве донора аминогруппы функционирует глутаминовая кислота. Глицин транспортируется в митохондрию. Там из двух молекул глицина образуется серин и освобождается СО2. Таким образом, часть углерода, фиксированного в цикле Кальвина, теряется растением. Поэтому при интенсивном фотодыхании продуктивность фотосинтеза снижается. Серин может использоваться в белковом синтезе или поступает в пероксисому и там передает аминогруппу на пируват. При этом из пирувата образуется ала глицерат. Глицерат может снова попасть в хлоропласты и включиться в цикл Кальвина. Митохондриальное («темновое») дыхание на свету обычно затормаживается. У Сз-растений при хорошей освещенности фотодыхание в 1,3—3 раза активнее, чем «темновое» дыхание. Сз-растения в результате фотодыхания теряют 30—35 %, а иногда до половины всего углерода, ассимилированного в процессе фотосинтеза. У С4-растений СОг, выделяющийся в результате фотодыхания, включается в клетках мезофилла 6 оксалоацетат и малат и благодаря этому реассимилируется растением. Расход на фотодыхание продуктов ассимиляции снижается до 0—6 %, это обеспечивает их более высокую продуктивность.

6.2. Характеристика групп С4 растений. Фотосинтез у САМ- растений:

особенности организации процесса запасания энергии и фиксации углекислоты во времени.

Цикл Кальвина-Бенсона – не единственный путь усвоения СО2. В России Ю.С.

Карпилов и И.А. Тарчевский, а в Австралии М.Д. Хетч и К.Р. Слэк показали, что в листьях кукурузы, сахарного тростника первичными продуктами фиксации СО 2 являются дикарбоновые кислоты (яблочная и аспарагиновая). Этот новый тип фиксации СО2, принципиально отличающийся от цикла Кальвина-Бенсона, был назван циклом Хетча-Слэка-Карпилова.

Этот способ фиксации СО2 носит название С4 – пути фотосинтеза, а растения, использующие этот путь называются С4 – растениями. Для С4- растений характерна особая структура листа – кранц-структура или кранц – анатомия. С4-путь фотосинтеза можно представить в виде схемы:

Цикл Хетча-Слэка-Карпилова позволяет С4-растениям успешно фотосинтезировать (в отличие от С3-растений) даже при закрытых устьицах, что является адаптацией к жаркому климату.

Помимо С3- и С4- растений выделяется другая группа – суккуленты - растения семейства Толстянковые – Crassulacean (Sedum, Bryophyllum), у которых процессы фиксации СО2, образование и декарбоксилирование яблочной кислоты разобщены во времени.

Днем у суккулентов устьицы закрыты и СО2 из окружающей среды не может поступать внутрь их мясистых тканей. Углекислота поступает в эти растения ночью, когда устьица открыты. В это время с помощью ФЕП-карбоксилазы осуществляется процесс карбоксилирования по типу С4, образуется яблочная кислота (и другие органические кислоты). Когда утром устьица закрываются с целью уменьшения транспирации (испарения воды растением), фотосинтез идет по типу С 3-растений: в процессе декарбоксилирования яблочной кислоты СО2 освобождается и включается в цикл Кальвина-Бенсона, восстанавливаясь до углеводов. Таким образом, у суккулентов днем осуществляется обычный фотосинтез (С3), а ночью происходит карбоксилирование ФЕП. Разделение процесса фотосинтеза во времени имеет важное экологическое значение для обитателей пустынь и полупустынь. Благодаря этой особенности они обеспечивают себя СО2 ночью, не подвергаясь риску потерять большое количество воды в жаркое время года. Рассмотренный путь фиксации СО2 у суккулентов получил название САМ-фотосинтез от английского «Crassulacean acid metabolism» - метаболизм кислот у толстянковых, у которых он был обнаружен впервые.

В процессе фотосинтеза осуществляется фотодыхание. Фотодыхание – это активируемое светом поглощение О2 и выделение СО2 в клетках, содержащих хлоропласты.

С3 – растения в результате фотодыхания теряют до 50% углерода, ассмилированного в процессе фотосинтеза, что является причиной снижения чистой продуктивности фотосинтеза.

У С4-растений фотодыхание отсутствует или едва заметно, а выделяющийся при слабом фотодыхании СО2 в клетках мезофилла связывается с ФЭП и образуется малат, который поступает в хлоропласты обкладки, где и включается в цикл КальвинаБенсона. Поэтому чистая продуктивность фотосинтеза у С4-растений более высокая, чем у С3-растений.

Вопросы для самоконтроля

Химизм процессов ассимиляции углерода в фотосинтезе. Цикл Кальвина, 1.

основные ферменты и механизмы регуляции цикла. Фотодыхание.

Характеристика групп С4 растений. Фотосинтез у САМ- растений:

2.

особенности организации процесса запасания энергии и фиксации углекислоты во времени.

Транспорт продуктов фотосинтеза из хлоропласта: челночные системы 3.

выноса.

Механизмы, контролирующие обмен метаболитами между хлоропластами и 4.

цитоплазматической фазой клетки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

1. Ильина Н.А.Физиология и биохимия растений: Учебное пособие / Н.А. Ильина, И.В.

Сергеева, А.И. Перетятко - Ульяновск-Саратов, 2013. - 335 с.ISBN 978-5-86045-613-6

2. Кошкин, Е. И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур: учебник / Е.

И. Кошкин. - М.: Дрофа, 2010. - 638 с.: ил. - (Учебники и учеб. пособия для студентов высш.

учеб. заведений). - ISBN 978-5-358-07798-0

3. Сергеева, И.В.Физиология растений с основами экологии: Учебное пособие / И.В.

Сергеева, А.И. Перетятко - Саратов, 2011. - 348 с.ISBN 978-5-7011-0740-1

4. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений / под ред. Н.Н. Третьякова. М.

: Колос, 2005. - 639 с.ISBN 5-10-002915-3

Дополнительная

1. Биохимия: учебник / В. Г. Щербаков, В. Г. Лобанов, Т. Н. Прудникова. - 3-е изд., испр. и доп. - СПб.: ГИОРД, 2009. - 472 с.: ил. - ISBN 5-98879-008-9

2. Козьмина, Н. П. Зерноведение с основами биохимии растений: научное издание / Н. П.

Козьмина, В. А. Гунькин, Г. М. Суслянок. - М.: Колос, 2006. - 464 с.: ил. - (Теоретические основы прогрессивных технологий: биотехнология). - ISBN 5-10-0039.

– – –

Содержащаяся в продуктах фотосинтеза энергия не может быть использована клеткой для осуществления процессов жизнедеятельности. Чтобы потенциальная энергия органического вещества превратилась в доступную для клетки энергию, ей должна быть придана более активная, мобильная форма. Вся сложная цепь мобилизации продуктов фотосинтеза осуществляется растительным организмом в акте дыхания. Эти процессы протекают при участии многозвенной и очень сложной цепи катализаторов. При дыхании происходит поглощение молекулярного кислорода и выделение СО2.

Дыхание есть окислительно-восстановительный процесс ферментативного превращения органических веществ с высвобождением и запасанием энергии. Процесс дыхания можно выразить следующим уравнением:

С6Н12О6 + 6О2 6СО2 + 6Н2О + 2870 кДж (674 ккал) В процессе дыхания происходит постепенное, ступенчатое высвобождение энергии органических веществ и закрепление е в макроэргах АТФ. Эта энергия затем используется на процессы биосинтеза, поддержания структуры клеток, рост, поглощение и передвижение веществ и другие нужды растения.

Дыхание занимает центральное место в обмене веществ и от его интенсивности во многом зависит рост, продуктивность и качество продукции. Одним из конечных продуктов дыхания является вода, которая в условиях засухи может предохранить растение от полного обезвоживания и гибели. Часть энергии дыхания может повышать температуру растения и тем самым способствовать выживанию в местах с недостатком тепла.

Местом дыхания растения служит клетка. Основные дыхательные звенья локализованы в цитоплазме и в специализированных органеллах –митохондриях.

Вместе с тем дыхание присуще и другим организованным структурам: хлоропластам, ядерному матриксу, ЭПС, мембранным сетям протоплазмы.

Дыхание в присутствии кислорода называется аэробным. Аэробное дыхание – главная разновидность дыхательного метаболизма. Дыхание может протекать и в бескислородной среде, тогда оно называется анаэробным. Анаэробное дыхание неспособно длительное время снабжать клетки и ткани растений достаточным количеством энергии, необходимыми промежуточными продуктами.

В окислительно-восстановительном процессе, каким является дыхание, наряду с кислородом активное участие принимает водород. Именно процесс дегидрирования (отщепления водорода от органического вещества) и перенос электронов составляет основу дыхания. Окислительно-восстановительные процессы в живой клетке сопряжены и могут идти по одному из следующих путей:

1) непосредственная потеря электрона, результатом которой является изменение валентности;

2) перенос электронов с одновременным переносом протонов, то есть двух атомов водорода. Этот процесс известен под названием дегидрирование;

3) присоединение к веществу кислорода;

4) гидратация вещества, в результате чего его способность к окислению (потеря водорода) сильно возрастает.

В живой растительной клетке роль системы, имеющей максимальную величину положительного потенциала, принадлежит кислороду (Ео= +0,816В), который благодаря этому и служит универсальным окислителем.

Роль доноров электронов принадлежит молекулам различных органических соединений. Отдаваемые органическими соединениями электроны достигают кислорода не непосредственно, а через многозвенную цепь окислительновосстановительных систем. Звеньями этой длинной цепи являются специфические ферментные системы, расположенные в порядке возрастания их окислительных потенциалов. Эти системы последовательно продвигают электроны к кислороду, подвергаясь при этом обратимым окислительно-восстановительным превращениям.

Специфические соединения, которые образуют систему переноса электронов и которые попеременно окисляются и восстанавливаются называются цитохромами.

Важная роль в системе переноса электронов принадлежит ферменту цитохромоксидазе, который совместно с цитохромами составляет цитохромную систему. Цитохромоксидаза активирует молекулярный кислород, перенося на него электроны от цитохромной системы. Эта система переноса электронов заключена в митохондриях.

Гликолиз.

Процесс дыхания состоит из двух фаз: анаэробной и аэробной. Первая происходит в цитоплазме клетки, вторая – в митохондриях. Обе фазы дыхания связаны между собой. Аэробная фаза служит как бы непосредственным продолжением анаэробной, хотя дыхание может ограничиться только первой фазой. В этом случае оно называется брожением.

Первый этап процессов брожения и дыхания аналогичен и заключается в бескислородном (анаэробном) распаде глюкозы на две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК). Процесс анаэробного распада глюкозы до ПВК получил название гликолиза.

Гликолиз протекает в цитоплазме клетки и начинается с активирования глюкозы.

Биологический смысл этой реакции заключается в том, что только активированные (получившие дополнительное количество энергии) молекулы способны к дальнейшим биохимическим превращениям. В результате образуется фруктозо-1,6-дифосфат гексоза, способная расщепляться на две фосфотриозы. В дальнейшем триозы превращаются в пировиноградную кислоту.

Гликолиз слагается из нескольких этапов: активирование гексозы, расщепление активированной гексозы до двух триоз, дегидрирование триоз и образование пировиноградной кислоты. В реакциях участвуют ферменты из группы киназ, изомераз, дегидрогеназ и расщепляющий фермент альдолаза.

Схематично превращение глюкозы в пировиноградную кислоту при гликолизе можно представить следующим образом:

С6Н12О6 + 2НАД + 2АДФ 2СН3 – СО – СООН + 2НАД·Н2 + 2АТФ В целом на преобразование одной молекулы глюкозы в две молекулы ПВК затрачивается две молекулы АТФ. При этом образуется четыре молекулы АТФ и две

– – –

Процесс гликолиза – основной, но не единственный путь расщепления сахаров.

Наряду с распадом глюкозы путем гликолиза в живой растительной клетке происходит превращение глюкозы и через пентозофосфатный или цикл фосфоглюконатный.

Второе название цикл получил в связи с тем, что одним из важных промежуточных продуктов его является 6-фосфоглюконовая кислота.

Исходным продуктом служит глюкозо-6-фосфат, которой с помощью глюкозо-6фосфат дегидрогеназы окисляется до 6-фосфоглюконовой кислоты:

глюкоза-6-фосфат+ НАДФ +Н2О 6-фосфоглюконовая к-та + НАДФ·Н2 Затем 6-фосфоглюконовая к-та подвергается окислительному декарбоксилированию при участии фосфоглюконатдегидрогеназы, результатам чего является выделение СО 2 и образование пентозы-рибулозо-5-фосфата, давшего название всему циклу:

6-фосфоглюконовая к-та+НАДФ рибулозо-5-фосфат+НАДФ·Н2 +СО2 После ряда сложных превращений из рибулозо-5-фосфата образуются четырех-, пяти- и семиуглеродные фосфорилированные сахара: эритрозо-4-фосфат, рибозо-5фосфат и ксилулозо-5-фосфат, седогептулозо-7-фосфат. Рекомбинация сахаров с участием транскетолазы и трансальдолазы приводит в конечном итоге к образованию глюкозо-6-фосфата. В итоге в реакциях пентозофосфатного цикла из шести молекул глюкозо-6-фосфата одна молекула окисляется до СО2 а остальные пять регенерируют вновь и выходят из цикла. Для каждого оборота суммарное уравнение пентозофосфатного цикла имеет следующий вид:

6 глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ + 7 Н2О 5 глюкозо-6-фосфат + + 6 СО2 + 12 НАДФ·Н2 + Н3РО4 Окислительный пентозофосфатный цикл представляет собою анаэробное окисление и так же как и гликолиз, происходит в цитоплазме. По окончании цикла образуется 12 молекул НАДФ·Н2. При окислении одной молекулы НАДФ·Н2 в дыхательной цепи митохондрий синтезируется 3 молекулы АТФ, а всего синтезируется 12 · 3 = 36 молекул АТФ. Основное назначение пентозофосфатного цикла – это участие в пластическом обмене клетки. В ходе этого цикла синтезируются пентозы входящие в состав нуклеиновых кислот и различных нуклеотидов. Образующийся в цикле, является источником для синтеза шикимовой кислоты, необходимой для синтеза дубильных веществ, лигнина клеточных стенок, ауксинов и других физиологически активных соединений. Такие продукты цикла как рибулозо-1,5-дифосфат, НАДФ·Н2 принимают участие в темновой фиксации СО2 в процессе фотосинтеза.

Таким образом, отличительной особенностью дыхания растительных клеток и тканей является многообразие путей превращение гексоз. Это имеет большое биологическое значение: у растений облегчается приспособляемость дыхательного процесса к условиям внешней среды; возрастает количество и разнообразие промежуточных продуктов, необходимых для биосинтетических процессов в клетках и тканях растений, что также имеет адаптивное значение.