Фотосинтез С3 и С4 растений механизмы и регуляция - Эдвардс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
2 - Фт'фш пикои.п
+¦ Н ,< У
но-с --о
I
неон
CHjOPO(OH)j
3 ¦ Фисфог ПИЩ.'р.П
<<>. I 5(1 )
К. Ф. 4,1.1,39
Кж (СОя) = 12 мкМ
Км (О*) = 250 мкМ.
А'м (РуБФ) = 40 мкМ. Концентрация РуБФ в хлоропластах 0,2—-0,6 мМ.
ДF' = —8,4 ккал (карбоксилазная реакция)
Мол. масса = 550 000; 8 больших субъединиц (мол. масса по 55 000) и
8 малых субъединиц (мол. масса по 15 000)1.
1 Размер белков обычно выражают в дальтоиах. Один дальтон — это массу одного атома водорода, а общая масса числа Авогадро водородных атомов почти точно ршша 1 р. Одна грамм-молекула (моль) РуБф-карбоксилазы весит 550 кг.
Реакция, катализируемая этим ферментом, сводится к одновременному присоединению СОг и воды и внутримолекулярному окислению — восстановлению (дисмутации). Таким образом, присоединение одной Ci-молекулы (СОг) к Св-акцептору дает два С3-продукта (3-ФГК), один из которых содержит ной водорода, а второй — ион гидроксила из молекулы воды [уравнение (6.15а)]. Раньше предполагали, что (по крайней мере in vivo) одно из двух Сз-соединений может стать более восстановленным в результате какого-либо прямого восстановительного процесса, но это предположение не подтвердилось. Сейчас уже точно установлено, что в реакции in vitro образуются только две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты, одна из которых содержит в своей карбоксильной группе только что связанный углерод-
ный атом из С02 (углеродный атом номер один в отличие от углеродного атома номер три, соединенного с фосфатом).
Впоследствии оказалось, что кислород способен конкурировать с С02 и что карбоксилаза может также функционировать в качестве окснгеназы (разд. 6.16). В этом случае одиа молекула 3-ФГК образуется так же, как и в предыдущем, а оставшийся С2-фрагмеит становится 2-фосфогликолевой кислотой [уравнение (6.156)]. Именно реакция, катализируемая РуБФ-оксигеназой, лежит в основе фотодыхательного цикла окисления углерода. Ее связь с восстановительным пентозофосфатный циклом показана на рис. 6.11 и 6.12, а подробно этот вопрос обсуждается в гл. 13. Поскольку С02 и 02 конкурируют за один и тот же центр связывания на молекуле фермента, скорости этих двух реакций определяются концентрациями обоих газов.
При высокой концентрации С02 и низкой концентрации 02 будет преобладать карбоксилазная реакция. Истинные скорости этих двух реакций зависят также от других факторов, например от pH и температуры. Тем не менее в грубом приближении в условиях in vivo (т. е. при 250 мкм 02 и 10 мкм С02) карбоксилазная активность в 3—5 раз больше оксигеназной. •
Как мы уже отмечали, карбоксилаза характеризуется очень большой величиной /См по отношению к С02 (разд. 6.5): для достижения половины максимальной скорости реакции ей требуется приблизительно 6% С02 в газовой фазе. Это обстоятельство довольно долго оставалось своего рода загадкой, так как вполне естественно возникал вопрос: каким образом карбоксилаза со столь низким сродством к С02 может эффективно функционировать при тех незначительных концентрациях С02, которые должны присутствовать в месте карбоксилирования? А ведь эти концентрации будут еще меньше, если С02 поступает в организм из атмосферы (воздуха), содержащей всего 0,03% (300 м. д.) этого газа, путем простой диффузии. Вот почему некоторые авторы предположили существование механизмов, концентрирующих С02. Впоследствии оказалось, что величина Кн для С02 резко снижается в результате активации, если карбоксилазу преинкубируют с ионами магния и бикарбоната при высоких значениях pH.
Процессы активации и карбоксилирования представлены уравнениями (6.15в) и (6.15г). (Е— фермент, от англ. enzyme.)
АКТИВАЦИЯ:
Медленно
Быстро
Е—С02—Mg (6.15в)
(акт.)
Е+С02 ~ (иеакт.)
* Е--СО, -|- Mg2+ (иеакт.)
Е—С02— Mg + РуБФ + *С02 ss=±
*=fc Е—С02—Mg + «ФГК + ФГК (6.15г)
Неактивная форма фермента сначала соединяется с молекулой С02 в ходе медленной обратимой реакции. Затем этот фермент-субстратный комплекс реагирует с Mg2+, и на этой второй обратимой стадии быстро образуется комплекс фермент — С02 — Mg, в котором фермент и проявляет полную активность [уравнения (6.15в) и (6.15г)]. Mg2+ требуется для активации фермента, а не для карбоксилазной реакции. Карбоксилирова-иие РуБФ как таковое осуществляется тогда, когда с ферментом реагирует вторая молекула С02 [уравнение (6.15г)]. Первая молекула С02, которая связывается с ферментом на стадии активации [уравнение (6.15в)], не участвует в карбоксилазной реакции. Вполне вероятно, что эти две молекулы С02 присоединяются к разным центрам связывания на ферменте. Было установлено, что именно С02, а не НС03_ отвечает и за процесс активации, и за саму реакцию карбоксилирования. Большая часть углерода в щелочной среде стромы освещенного хлоропласта существует в форме бикарбонатного иона. Равновесие между С02 и НС03~ поддерживается ферментом карбонат-де-гидратазой, который катализирует реакцию Н+-|-НС0з"^С02-[-+Н20. Благодаря этому молекулы СО2, израсходованные в процессе карбоксилирования, быстро пополняются за счет бикарбоната.
