Фотосинтез С3 и С4 растений механизмы и регуляция - Эдвардс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 12.1. В функционировании С4-цикла в листе участвуют фотосинтезирующие клетки двух типов. Поэтому должны существовать механизмы, позволяющие переносить метаболиты из клетки в клетку и через оболочку хлоропласта (ХП). Роль хлоропластов в С4-фотосинтезе можно изучать, выделяя эти органеллы из клетки. Координация обмена веществ и в тех и в других клетках не ограничивается С*- и ВПФ-циклами; она включает также синтез ¦сахарозы, крахмала и обмен аминного азота.
неводных сред, пришли к выводу, что активность пируват,ортофосфат — дикиназы, пирофосфатазы, аденилаткиназы и NADP-малатдегидрогеназы связана с хлоропластами мезофилла. Локализацию ФЕП-карбоксилазы определить не удалось, поскольку она иногда была ассоциирована с хлоропластами, а иногда 'обнаруживалась в цитозоле. .[Цитозоль — это растворимая фракция клетки, в которую погружены органеллы.]
Использование протопластов при исследовании локализации ферментов имеет два преимущества: 1) при этом получают чистые препараты- мезофилла-и 2) в большом количестве выделяют иитактные органеллы (80—99%). Можно отдельно выделять хлоропласты и митохондрии вместе с микротельцами. 'Фракции хлоропластов или митохондрий с микротельцами отделяют: от цитозоля путем дифференциального центрифугирования при 400 или 10 ООО g соответственно. Можно также наслаивать суммарный экстракт протопластов на градиент концентрации сахарозы'и разделять эти органеллы, применяя метод изо-пикнического центрифугирования, при котором органеллы распределяются в соответствии с их плавучей плотностью (разд. 13.7).
Когда хлоропласты мезофилла выделяют с применением водных растворов, ФЕП-карбоксилаза выявляется главным образом во фракции цитозоля, хотя небольшая доля активности часто обнаруживается и во фракции хлоропластов. Так, например, в случае хлоропластов, ¦ выделенных из протопластов .мезофилла кукурузы, NADP-триозофосфатдегидрогеиазу опре-
Таблица 12.1. Локализация ФЕП-карбоксилазы в цитозоле протопластов мезофилла кукурузы1)
NADP-триозофосфатдегндрогеназа, %
осадок после центрифугирования при 400g
надосадочная жидкость
ФЕП-карбоксилаза,
осадок после центрифугирования при 400g
надосадачная жидкость
82
18
97
>) Общая активность ЫАОР-трцозофоефатдегидрогеиазы и ФЕП-карбоксилазы составляла соответственно 705 и 864 мкмоль-(мг Хл)- '-ч-1 (Gutierrez et а 1.. 1975).
деляют во фракции хлоропластов, а 97% активности ФЕП-* карбоксилазы обнаруживают в цитозоле (табл. 12.1).
Если хлоропласты, полученные из протопластов мезофилла С4-растений, фракционируют далее в градиенте концентрации сахарозы, то свыше 80% NADP-триозофосфатдегидрогеназы выявляют в зоне интактных хлоропластов, а вся активность ФЕП-карбоксилазы остается в верхней части градиента, во фракции цитозоля. Следовательно, ФЕП-карбоксилаза локализована только в цитозоле клетки. Не исключено, что in vivo этот фермент непрочно связан с наружной частью оболочки хлоропластов. Если к тому же учесть и транспорт метаболитов, то напрашивается вывод о том, что этот фермент должен находиться снаружи от хлоропласта.
Локализация ферментов, участвующих в превращении пирувата и С02 в малат, по-видимому, одинакова у всех С4-расте-иий. Все ферменты этой части С4-пути,. :за исключением ФЕП-
КЛЕТКА МЕЗОФИЛЛА
ХЛОРОПЛАСТ ЦИТОЗОЛЬ
Рис. 12'.2. Синтез малата у С4-растеиий. 23-234
карбоксил азы, находятся в хлоропластах мезофилла. Локализация ФЕП-карбоксилазы имеет решающее значение, поскольку она определяет транспорт метаболитов, необходимых для хлоропластов. Присутствие этого фермента в цитозоле говорит о том, что к числу тех метаболитов, которые должны транспортироваться через оболочку хлоропласта относятся ФЕП, Pi и оксалоацетат, а также пируват и малат (рис. 12.2).
а) NADP-МДГ-растения
У NADP-МДГ-растений первичными метаболитами Q-цикла, участвующими в транспорте между клетками мезофилла и клетками обкладки проводящих пучков, являются малат и пируват (разд. 31.2 и 11.3). Поэтому главная функция клеток мезофилла в С^фотосинтезе заключается в превращении (С02+ -j-пируват) в малат.
Вторичный обмен метаболитами может осуществляться за счет челночных передвижений аспартата и аланина. В хлоропластах мезофилла у NADP-МДГ-растений обнаружена высокая активность аспартатаминотраисферазы. В хлоропластах и цитозоле росички кровяной выявляется значительная активность аланинаминотрансферазы. Поэтому остается неясным, какая же из аминокислот (вероятнее всего, глутамат или аланин) поглощается хлоропластами и служит донором амиио-
КЛЕТКА МЕЗОФИЛЛА
ХЛОРОПЛАСТ ЦИТОЗОЛЬ
Рис. 12.3. NADP-МДГ-растения. Синтез аспартата.
группы в синтезе аспартата. Если хлоропласты поглощают аланин, то транспортируемыми метаболитами будут аланин, аспартат, Pi, ФЕП и оксалоацетат (рис. 12.3).
б) NAD-МДГ-растения
У этих растений главными метаболитами, транспортируемыми в процессе CU-фотосинтеза из клетки в клетку, являются аспартат и аланин (разд. 11.2 и 11.3). В клетках мезофилла у растений этой группы выявляется высокая активность аспар-тат- и аланинаминотрансфераз, которые локализованы в цитозоле. Поэтому в ходе превращения аланина и СОг в аспартат через оболочку хлоропласта должны транспортироваться только ФЕП, Р; и пируват. Челночный обмен малат — пируват у этих растений незначительный и рассматривается как вторичный процесс (рис. 12.4).
