Лекция 5 photorespiration - конспекти
Концепцията за photorespiration.
История на цикъла откритие.
Химията на photorespiration.
Особености гликолат цикъл.
Регламент на photorespiration.
Физиологичната роля на photorespiration.
Концепцията за photorespiration. Photorespiration - това поглъщане на кислород от растенията и възстановяване на въглероден диоксид в светлината. В С3 -rasteny неговата интензивност може да бъде до 50% от скоростта на фотосинтеза. В С4 -rasteny photorespiration е почти не съществува. В началния етап на photorespiration оксигеназа активност, свързана с ензим RuBF карбоксилаза и хлоропластите се извършват следните реакции протичат в пероксизомите и митохондрии. Photorespiration има няколко разлики от "тъмно" клетъчното дишане, свързани с процесите на окисляване на органични съединения в цикъла на Кребс и операция на електронен транспорт верига (ETC) митохондриите:
- photorespiration активира от висок интензитет на светлината, като процеси на "тъмно" митохондриалната респираторна в светлината инхибира;
- photorespiration амплифицира в присъствието на високи концентрации на кислород, което е свързано с активирането на тези условия оксигеназа ензим функция RuBF карбоксилаза; макс "тъмно" дишане се извършва при концентрация на кислород от около 2%;
- photorespiration изисква съвместни функциониране хлоропласти, пероксизоми и митохондриите; "Dark" диша дължи единствено на митохондриите;
- първичния продукт на photorespiration два въглеродни органични киселини - fosfoglikolat, гликолат, глиоксилат, преобразуването води до образуването на аминокиселини - глицин и серин. Метаболизъм photorespiration е показана на Фигура 5.1.
Фиг. 5.1. метаболизъм photorespiration
История на цикъла откритие. Дори в 1779 godu Ingengauz J., D. проверка на резултатите от експерименти Priestley, които доказват, че светлинните зелени растения подобряване въздух развали горене установено, че понякога през деня, при много висока температура и осветление, растенията излъчват и поглъщат O2 СО2. Ya Ingengauz реши да забрави за тези странни резултати до него и обяви, че Д. Пристли е прав. Това явление е доказано и повечето от неговите 500 експерименти.
През 1920 г. се наблюдава О. Warburg, че скоростта на фотосинтезата на водораслите се увеличава драматично, когато по-ниска концентрация на кислород в околната среда. Това означава, че фотосинтеза настъпва едновременно с всички окислителни реакции, придружени от отделянето на въглероден двуокис и намаляване на ефективността на фотосинтеза.
Спомних си за това явление е само на половин век и са го нарекли за вида на газовата обмяна се активира светлината в зелената клетка, photorespiration.
OV Zalensky заключи, че освобождаването на въглероден диоксид оставя светлината трябва да се счита, "свързани като независим физиологичен процес, но не идентичен на лист възникващи в процеса на фотосинтеза и дишане"
Когато 60-те години на 20 век започва да учи photorespiration, беше установено, че по-голяма роля в този процес играят рибулоза боксилазния. Ако не е достатъчно CO2 и O2 са много. тя може да бъде прикрепена към рибулоза-1,5-дифосфат не е въглероден диоксид и кислород, а именно този ензим има не само карбоксилиране, но oxygenizing функция. Кислород и въглероден диоксид действат като субстрати конкурират едно с друго за взаимодействие с RuBF карбоксилаза / оксигеназа (RuBFK / A), т.е. кислород инхибира карбоксилаза, въглероден диоксид - оксигеназа функция на този ензим. Този ензим може да действа не само като карбоксилаза, но също и като оксигеназа и катализира окислително разцепване на рибулоза-1,5-дифосфат да fosfoglitsirinovoy киселина fosfoglikolevoy киселина.
За процеса на photorespiration първи път е описан през 1948 г. БКП Колесников, а след това през 1949 г. - Klaggetom с работниците и служителите.
Химията на photorespiration. Опростена схема на гликолат път са представени на фигура 5.2.
Фигура 5.2. Опростена схема на гликолат пътека
Ключовият реакцията на окисление на photorespiration рибулоза-1,5-дифосфат с участието на кислород. Обединяване на кислород молекула рибулоза-1,5-дифосфат води до факта, че вместо две молекули phosphoglyceric (FHA) една молекула киселина се образува PGA и една молекула fosfoglikolata:
2 рибулоза-1,5-дифосфат → О 2 + 2 2 + 2 fosfoglikolat FHA.
Реакцията се извършва благодарение на активността на ензим оксигеназа RuBF карбоксилаза.
Рециклиране fosfoglikolata започва с разцепването на фосфор остатък, който катализира fosfoglikolatfosfataza локализиран в стромата на хлоропласта. Продуктът от тази реакция - валиума. Валиум оставя хлоропластите и влиза в специален органел - пероксизомен:
2 fosfoglikolat - PH 2 → 2 валиум.
Гликолат отстранява от хлоропласта от специфичен конвейер и навлиза порите на пероксизом чрез неспецифично в техните мембрани, които се образуват Porin.
Пероксизомния Valium реагира с кислорода абсорбира от клетките; в резултат на образуване на глиоксилат и водороден пероксид. Катализира реакция glikolatoksidaza. Glikolatoksidaza кофактор включва флавин мононуклеотид (FMN), който функционира като редокси медиатор между гликолат и кислород:
Гликолат 2 2 + О2 → 2 глиоксилат + 2 Н 2О 2.
В пероксид се разлага чрез каталаза, което е в пероксизомите на вода и кислород, който се освобождава в атмосферата:
Общо окисление на един мол глиоксилат да гликолат 0.5 мол консумирана кислород.
Реакцията на пероксизома глиоксилат аминиране се случи. Ензимната реакция glioksilatglitsinaminotransferaza следващото прехвърляне с амино групи на аминокиселини глиоксилат. Глиоксилат в реакцията на трансаминиране срещащи включващи glioksilatglitsinaminotransferazy се превръща глицин, който се транспортира в митохондриите. 2 + 2 глиоксилат глутаминова киселина → глицин + 2 NH3 + 2 2 α-кетоглутаровата киселина.
Превръщането на глиоксилат на глицин се среща в две реакции. Ензим глутамат glioksilataminotransferaza катализира трансфера на донор амино група (глутамат), за да глиоксилат на акцептор. В друг реакция, glioksilataminotransferaza ензим катализира серин трансаминиране глиоксилат серин. Тези два ензима, както и други аминотрансферази съдържа пиридоксал фосфат, свързани с активното алдехид групата:
2 + 2 глиоксилат глутаминова киселина → глицин + 2 NH3 + 2 2 α-кетоглутаровата киселина.
2 2 + глиоксилат → 2 серин глицин + 2 NH3 + 2 gidroksipiruvat.
Glycine излиза през порите на пероксизомен и се пренася в митохондриите. Механизмът на транспорт не е напълно изяснен. Смята се, че това се случи с участието на конкретен оператор.
Тук два глицинови молекули, една молекула на серин се синтезират, произвежда въглероден диоксид, амоняк. Когато това се случи възстановяване NAD. Реакцията се извършва в два етапа и се катализира glitsindekarboksilazo- seringidroksimetiltransferaznym комплекс:
Глицин серин → 2 + СО2 + NH3 + NADH + H +.
Това мултиен комплекс, съставен от четири различни субединици. Glitsindekarboksilazny митохондриалния комплекс може да бъде до 30% - 50% от общите разтворими протеини в митохондриите зелените тъкани. Митохондриите nonphotosynthetic растителни клетки глицин окисление протеини са налични само в много малки количества или несъществуващо.
Или CO2, освободен в атмосферата, че се губи на растението, или се използва в C3 цикъл. Смята се, че NADH може да участва в дихателните електронна транспортна верига или изнесени от митохондриите поради механизма за трансфер в други клетъчни отделения.
Серин транспортира от митохондриите, включващи специфични транспортер в пероксизомите където след деаминиране превръща в oksipiruvat:
серин → oksipiruvat + NH3.
Реакцията се катализира от серин глиоксилат аминотрансфераза.
Oksipiruvat е възстановен с помощта на glioksilatreduktazy в глицерат поради NADH:
oksipiruvat + NADH → NAD + глицерат.
Glycerate транспортирани до хлоропластите. Вход глицерат в хлоропласти се провежда с участието на една и съща превозвача, който осигурява изход от гликолат хлоропластов. Този носител обмен на глицерат на гликолат и котранспорт гликолат с протон. По този начин, този вектор позволява износа на две молекули гликолат в замяна за внос на един глицерат молекули.
Glycerate фосфорилиран в хлоропласти дължи на наличието на ATP glitseratkinazy и формира FHA:
глицерат + ATP → ADP + фосфоглицерат.
PGA - крайният продукт на цикъла.
FHA може да бъде предоставена С3 цикъл за регенериране на рибулоза-1,5-дифосфат, или използван за синтеза на захароза и нишесте.
Така, по време photorespiration реакции възникват, свързани с поглъщането на кислород (в хлоропласти и пероксизомите) и възстановяване на въглероден диоксид (митохондрии) (фиг. 5.3.).
Фигура 5.3. Възможни метаболити внасянето между пероксизоми, митохондрии и хлоропласти време гликолат цикъл
Особености гликолат цикъл. Особености гликолат цикъл:
- Obrazeetsya CO2 по време на превръщането на две молекули на глицин серин;
- O2 се консумира за синтез на гликолат и глиоксилат;
- кислород се абсорбира и въглероден диоксид се освобождава на светлина в гликолат метаболизъм;
- свободен амоняк се образува, който се използва за аминиране oksiglutarata, като глутамат;
- гликолат път е glyukoneogeneticheskim. PGA - продукт, който може да се използва за синтез на захароза и нишесте.
Когато фиксиране СО2 за преобразуването на въглеродния диоксид в триознофосфатна изисква три ATP молекули и две молекули NADPH оксигеназа реакция изисква пет ATP молекули и три молекули на NADH на молекула на кислород.
Таблицата отразява допълнително за сметка на ATP и NAD (P) H в различни съотношения боксилазния циклооксигеназа и реакции.
Таблица 5.1 Допълнителните разходи оксигеназа реакция с рибулоза-1,5-дифосфат по отношение на разходите за фиксиране на въглероден двуокис
В лист, при което съотношението е от две на четири карбоксилаза оксигеназа реакция на един, допълнително сметка на АТР и NAD (P) H, за да компенсира реакция оксигеназа е повече от 50% от разходите за фиксиране на СО2.
По този начин, нежелана реакция оксигеназа рибулозо-1,5-difosfatkarboksilazy растения стойност повече от една трета издържа чрез thylakoid мембрана протон.
гликолат реакции цикъл настъпват в хлоропласти, митохондрии и пероксизомите. Следователно процес photorespiration изисква сътрудничество на три органели. Пероксизоми са основните ензимите на този цикъл: glikolatoksidaza, каталаза и glioksilatreduktaza. Ензимите са локализирани в митохондриите, с помощта на която се появява декарбоксилиране на глицин за образуване серин и отделяне на въглероден диоксид. Цикълът започва и завършва в хлоропластите. Хлоропластите са RuBF боксилазния / циклооксигеназа и glitseratkinaza. В клетката, тези органели са съседни един на друг. Те са функционално независими една от друга.
С гликолат азотен цикъл се отстранява от пероксизомите митохондриите. Загубата на СО2 се случва по време на цикъла гликолат. абсорбира в С3 цикъл. Десет навивки от цикъла на десет молекули на рибулоза-1,5-дифосфат, оформен в цикъл Келвин, една молекула се унищожават:
10 рибулоза-1,5-дифосфат → O2 + 10 10 + 10 FHA fosfoglikolat
10 FHA FHA → 5 + 5 СО2;
5 + 10 FHA FHA FHA 15 → 9 → рибулоза-1,5-дифосфат.
Регламент на photorespiration. Photorespiration свързани с работата ензим RuBF карбоксилаза / оксигеназа, съотношението на двата начина на употреба на рибулоза-1,5-бифосфат зависи от съотношението и карбоксилаза оксигеназа активността на този ензим. Следователно, кинетичните свойства на реакциите на ензим, температура и субстрат - въглероден диоксид и кислород определена посока ензимна активност RuBF карбоксилаза и ще модулират скоростта на photorespiration. Повишаване на температурата, повишаване светлинния интензитет и намаляването на парциалното налягане на въглеродния диоксид активира photorespiration.
Физиологичната роля на photorespiration. Гликолат цикъл има важни функции в организма на растението:
източник на междинни съединения за различни синтези;
играе важна роля в образуването на аминокиселини (серин и глицин), която е свързана с обмен азот растения;
по време на образуването на серин от глицин възстановен митохондриална NAD, която се образува чрез окисление на АТР;
излишък на цикъла Келвин на продукти увеличава скоростта на цикъла гликолат, и липсата на тях усилва С3 Цикъл.
История на откриването -path C4 фотосинтеза.
2. С4 -metabolizm в растения NADPH malatdegidrogenaznogo тип.
3. -metabolizm С4 растения NAD malatdegidrogenaznogo тип.
4. -metabolizm С4 растения PEP карбоксилаза тип.
5. Разнообразие С4 -metabolizma.
История на откриването на C4 фотосинтеза път. От няколко години се е смятало, че първият въглерод е акцептор ribulozodifosfat и че първите стабилни продукти на фотосинтеза са три-въглерод съединение. Въведение е преминал редакция след това бе установено, че по време на експериментите с 14 CO2 някои растения, като царевица, захарна тръстика и свързани тропически зърнени култури се държат необичайно: етикет включена между тях на четири органична киселина: оксалоацетат киселина (щука), ябълчна аспарагинова много по-бързо, отколкото в PGA. Тези растения става известен като С4 -rasteniyami.
Според Ю Karpilova "Hatch и Slack първо да се отбележи, че тези видове имат фотосинтеза въглероден метаболизъм, коренно различни от обичайните" Kalvinovskogo ", и да го опишат като нов начин на карбонизация."
Анатомично С3 - С4 и - растения се различават един от друг. В С4 - растения имат обвивка клетки и мезофилни клетки. Подобна структура е наречена Kranz-анатомия (Kranz - корона, корона, фигура 6.1).
Фиг. 6.1. характеристика анатомия лист -rasteniya C4 В:
Хлоропласти в двете клетки са морфологично различни.
Таблица 6.1 - Параметри мезофилни хлоропласти и хлоропласти лигавицата клетки на С4 - растения
Хлоропласти лигавицата клетки