Темновая фаза фотосинтеза

1. Темновая фаза фотосинтеза – образование «основных фондов» из НАДФН и АТФ

2. Схема восстановительного пентозо-фосфатного цикла

6CO2
1C6

3. Цикл Кальвина: энергетика

1 НАДФН = 1.15в х 2 = 230 кдж ( 1в ~ 100 кдж., в НАДФН - 2 е-)
1 АТФ = 30 кдж
Затраты:
12 НАДФН = 2760 кдж
18 АТФ
= 540 кдж
Всего:
3300 кдж
Сжигание 1 моля глюкозы:
2800 кдж
Эффективность преобразования энергии – 85%. Неплохо.
Разность в 500 кдж заставляет цикл «крутиться» в нужную сторону
Общая эффективность фотосинтеза «от кванта»:
на 1 СО2 (на 2 Н2О) идет 8 е- (по 4 е- на каждую фотосистему)
1 моль квантов 700нм = 1.77в = 176 кдж.
176 х 8 х 6 = 8450 кдж. Эффективность 33%. Очень неплохо.

4. Восстановительный пентозо-фосфатный цикл (ВПЦ)

5. Восстановительный пентозо-фосфатный цикл. Немного истории.

Нобелевская премия за 1961 год.
Работы лорда Мельвина Кальвина с
сотрудниками. Фотосинтезирующей хлорелле
давали меченный 14СО2 , через короткие
промежутки времени ее (хлореллу)
фиксировали кипящим спиртом (садизм),
и проводили двумерную бумажную
хроматографию получившихся меченых
продуктов. Одним из первых обнаруживался
меченый ФГА – С3 соединение.
Bassham, 1965

6. Фаза карбоксилирования ВПЦ

ΔG = -8,4ккал

7. Рибулозо-бисфосфат карбоксилаза-оксигеназа (Rubisco) самый главный фермент на планете Земля (10млн. тонн)

М.в. ~560 kDa,
8L (55 kDa), 8S (15 kDa)
KmCO2 = 12μM
KmO2 = 250μM
KmРУБФ = 40μM

8. Решение проблемы низкого СО2 : активация Rubisco (активаза)

Активный центр
в темноте

9. Рибулозо-бисфосфат карбоксилаза-оксигеназа (Rubisco)

Активный центр
формируют
аминокислотные
остатки С- и Nконцов двух
соседних
L-субъединиц

10. Rubisco катализирует две взаимоисключающие реакции

11. Решение проблемы низкого СО2: «запас» СО2 (физ-хим. + карбоангидраза)

?
Тилакоид
pH 5,0

12. Восстановительная фаза цикла Кальвина: «гликолиз наоборот»

Km ФГК = 0,5mM
Km ATФ = 0,1mM
Мв 47 kDa
ΔG = +4,5 ккал
Km ДФГК = 1μM
Km НАДФН =4 μM
Мв 600 kDa
ΔG = -1,5 ккал

13. Фаза регенерации: общая схема перегруппировок

14. Фаза регенерации: образование фруктозо-1,6-бисфосфата

Km ДГАФ = 1,1 mM
Km ФГА = 0,3 mM
Мв 53 kDa
ΔG = -1,8 ккал
Km ФГА = 0,3 mM
Km ФБФ = 20 μM
Мв 150 kDa
ΔG = -5,5 ккал

15. Фаза регенерации: образование фруктозо-6-фосфата

Km ФБФ = 0,2 mM
Мв 160 kDa
ΔG = - 4,0 ккал

16. Фаза регенерации: первая транскетолазная реакция

Мв 140 kDa
ΔG = - 1.5 ккал

17. Фаза регенерации: образование седогептулезо-1,7-бисфосфата

Та же самая
альдолаза
Km ФГА = 0,3 mM
Km ФБФ = 20 μM
Мв 150 kDa
ΔG = -5,5 ккал
GAP # 5
used here

18. Фаза регенерации: образование седогептулезо-7-фосфата

Km СБФ = 0,24
Мв 50 kDa
ΔG = - 4,0 ккал

19. Фаза регенерации: вторая транскетолазная реакция

Та же самая
транскетолаза
Мв 140 kDa
ΔG = - 1.5 ккал

20. Фаза регенерации: образование рибулезо-5-фосфата

2
2
Н
Km Р5Ф = 2.0 mM
Мв 54 kDa
ΔG = 0,64 ккал
2
Km Ку5Ф = 0,5 mM
Мв 46 kDa
ΔG = -0,13 ккал
Н

21. Фаза регенерации: образование рибулезо-1,5-бисфосфата

2
Н
Km Ру5Ф = 0,2 mM
Km АТФ = 0.1mM
Мв 240 kDa
ΔG = -5,2 ккал

22. Восстановительный пентозо-фосфатный цикл: общий вид

23. Светом регулируется активность минимум пяти ферментов ВПЦ

•ФБФ-за
•СБФ-за
•Ру5Ф-киназза
•Триозофосфатдегидрогеназа
•Рубиско:
а/ присоединение
активазы, которая
«выталкивает»
РУбисФ или КСбисФ
из активного центра
б/ активирование
карбамилизацией
с/ активация генов
S-субъединиц через
фитохром и
криптохром

24. Транспорт интермедиатов через хлоропластную мембрану

Картинка 20-летней давности

25. А как экспортируются сахара? УДФ- и АДФ-гексозы – активированные формы сахаров

26. Конечные продукты фиксации СО2 - крахмал в пластидах и сахароза в цитозоле.

ПЛАСТИДА
ЦИТОЗОЛЬ
Отлична от
пластидной
Пулы гексоз
Однако трансген с «выключенным» триозным транспортером жизнеспособен…

27. Образование транзиторного крахмала в хлоропластах – сложный процесс..

Крахмал – полимер глюкозы. Состоит из амилозы (линейный α-D-1,4-полимер)
и амилопектина (разветвленный по α-D-1,6-гликозидной связи полмер)
Транзиторный крахмал образуется в хлоропластах в течение дня и расходуется
в течение ночи. Это позволяет постоянно снабжать гетеротрофные части
растения сахарозой, то есть транзиторный крахмал явдляется своеобразным
«буфером» в снабжении растения сахарозой. Однако механизмы этого
процесса стали известны только в последние 3 – 4 года..

28. Гидролиз транзиентного крахмала требует фосфорилирования амилопектина.

Эта дикиназа фосфорилирует один на 2000 гликозильных остатков,
однако ее выключение на порядок тормозит ночной гидролиз крахмала
ее выключение не влияет
на гидролиз крахмала
Триозный путь работает
днем, но не ночью, т.к.
цитозольная ФБФ-за
выключается
фр-2,6-бисфосфатом…
MEX1
Цитозоль
ее выключение тормозит
гидролиз крахмала
NB – в мембране хлоропласта есть переносчики не только триоз, но и мальтозы и глюкозы

29. Снова к шизофреничному ферменту.. Итак, Rubisco катализирует две взаимоисключающие реакции

30. Фотодыхание – процесс, происходящий в трех органеллах

Клетка мезофилла молодого листа табака Nicotiana tabacum (x 48 000)
1 – пероксисома, 2 – митохондрия, 3 – хлоропласт

31. Общая схема фотодыхания

32. Глицин-декарбоксилазный комплекс в митохондриях

33. Соотношения карбоксилазной и оксигеназной функции Рубиско

Только карбоксилазная функция:
полная «загрузка» Рубиско,
из всей фиксированной СО2
образуется триозофосфат
Соотношение карбоксилазной и
оксигеназной функции 1 : 2 (компенсационная точка):
весь фиксированный СО2
растрачивается в фотодыхании
Смысл фотодыхания - ? Снабжение аминокислотами?
Или защита при
недостатке СО2 - циклы должны крутиться… Или хорошая мина при плохой игре?

34. С4-фотосинтез: Кранц-анатомия

Клетки мезофилла
Клетки обкладки

35. С4-фотосинтез: «СО2-насос», принципиальная схема

С4 –растения:
Двудольные: 15 семейств, 2000 видов
Однодольные: 3 семейства, 6000 видов
Главная реакция
ФЕП-карбоксилаза:
• Использует НСО3-,
• Нечувствительна к О2,
• Км = 0,2 – 0,4 mM,
• Локализуется в цитозоле

36. ФЕП-карбоксилаза: структура и механизм работы

Тетрамер ФЕП-карбоксилазы;
Мономер (соответствует
«красному» в тетрамере) и
его консервативные участки.
Механизм работы ( желтым
показан гидрофобный
«карман»)

37. Регулирование активности ФЕП-карбоксилазы

38. «Запас» СО2 (карбоангидраза) для С4 растений

Тилакоид
pH 5,0

39. Электронная фотография хлоропластов мезофилла (вверху) и клеток обкладки (внизу) С4 растения (сорго)

40. С4-фотосинтез: участники игры

С4
С3
ПВК,
пируват
ФЕП
С5
ЩУК,
оксалоацетат
Малат
α-кетоглутарат
Глутамат
Аланин
Аспартат

41. Три варианта С4 – растений:

ФЕП- карбоксикиназный
НАДФ -малатдегидрогеназный
НАД -малатдегидрогеназный

42. Распределение ферментов при С4-фотоситезе.

Рубиско
ФЕП - карбоксилаза
Декарбоксилаза
НАДФ-МЕ
НАД-МЕ
Halothamnus glaucus
Salsola laricina
ФЕП-КК
Spartina anglica

43. Три варианта С4 – растений: НАДФ-МДГ (малик-энзим)

Транспорт – малат.
СО2 выделяется в
пластидах.

44. Три варианта С4 – растений: НАД-МДГ (малик-энзим)

Транспорт – аспартат.
СО2 выделяется в
митохондриях.

45. Три варианта С4 – растений: ФЕП-КК (карбоксикиназный)

Транспорт – аспартат и
возможно малат
СО2 выделяется в
цитозоле и возможно
в митохондриях

46. Фиксация СО2 у С3 и С4 растений в зависимости от ее концентрации

Скорость фотосинтеза:
С3 – 15–40 мг СО2/дм2 час
С4 – 40–80 мг СО2/дм2 час
Потери воды при росте:
С3 – 450-950г /г сух. массы
С4 – 250-350г /г сух. массы

47. Распространение С3 и С4 растений в степях и саваннах…

48. Распространение С3 и С4 растений

49. САМ-метаболизм: временное разделение карбоксилирования и фиксации СО2

50. САМ-метаболизм: малат может поступает в вакуоль не только из цитозоля, но и из митохондрий.

51. С3, С4 и САМ–метаболизм: адаптационные приспособления и переключения.

«Хрустальная травка».
При засолении и засухе
может переключать
свой метаболизм с С3 на
САМ

52. С3 и С4–метаболизм: возможны варианты?.

Присутствие «С4-подобного» фотосинтеза предполагается у ряда С3 растений
в клетках, окружающих сосудистые системы.
Например, в клетках табака, расположенных рядом с флоэмой и ксилемой,
присутствуют ферменты С4 фотосинтеза (ФЭП-крбоксилаза и маликэнзим),
они используют малат, поступающий из сосудистой системы в качестве
источника СО2 .
Независимое и многократное возникновение С4 фотосинтеза или его
элементов у разных групп растений?

53. Маленькая сенсация – одноклеточный С4-фотосинтез.

Флуоресценция хлоропластов в клетках
Borszczowia aralocaspica (A) и Bienertia cycloptera (B)

54. Электронная микроскопия со схемой одноклеточного С4-фотосинтеза.

Borszczowia arlocaspica (A) и Bienertia cycloptera (B)
СО2
Цитозоль
(«внешняя
сторона»)
Цитозоль
(диффузный
барьер
Цитозоль
(«сосудистая
область»)
Цитозоль
(«внешняя
сторона»)
Цитозоль
(диффузный
барьер)
Цитозоль
(«сосудистая
область»)