Language
Country/Area
No result found
Загадочный RuBisCO: как этот ключевой фермент инициирует выработку сахара в растениях?
В фотосинтезе цикл Кальвина — это ключевой процесс химической реакции, который превращает углекислый газ и соединения, переносящие водород, в глюкозу, которая необходима для роста растений и производства энергии. Что касается биохимического цикла, хотя этот процесс и называется «темновой реакцией», на самом деле он не ограничивается тем, что происходит в темноте, а зависит от энергии, обеспечиваемой светозависимой реакцией фотосинтеза.
Цикл Кальвина действует в матрице хлоропластов растений и включает три основных этапа: реакцию карбоксилирования, реакцию восстановления и регенерацию РуБФ.
Центральную роль в этом процессе играет RuBisCO, основной фермент цикла Кальвина. Этот фермент может не только катализировать реакцию карбоксилирования углекислого газа, но и при определенных обстоятельствах вступать в реакцию с кислородом. Это явление называется «фотодыханием», в результате которого растение теряет часть углекислого газа, что приводит к потере энергии.
Как работает цикл Кальвина
Цикл Кальвина можно разделить на три стадии: сначала карбоксилирование, затем реакция восстановления и, наконец, регенерация RuBP. На первом этапе диоксид углерода вступает в цикл и связывается с пятиуглеродным соединением рибулозобисфосфатом (RuBP), образуя нестабильный шестиуглеродный промежуточный продукт, который в конечном итоге расщепляется на два трехуглеродных соединения, 3-фосфоглицерат (3-PGA). Ключом к этому процессу является фермент RuBisCO.
Начиная с первой стадии цикла Кальвина, в дальнейших химических реакциях используются АТФ и НАДФН, образующиеся в светозависимой реакции, для постепенного восстановления и синтеза трехуглеродного сахарофосфатного соединения G3P.
На втором этапе 3-PGA каталитически преобразуется с помощью PFK и генерирует больше G3P. Некоторые из этих G3P будут использоваться для производства органических соединений, таких как глюкоза, а другие возвращаются в цикл для регенерации RuBP. В каждом цикле три молекулы углекислого газа производят одну молекулу G3P, а это означает, что для производства одной молекулы глюкозы требуется шесть циклов.
Роль RuBisCO и фотодыхание
Однако активность РуБисКО не ограничивается синтезом сахара. Когда концентрация кислорода в окружающей среде слишком высока или температура слишком высока, RuBisCO может вступать в реакцию с кислородом, вызывая фотодыхание, что приводит к потере растениями связанного углекислого газа, тем самым снижая эффективность их роста.
Фотодыхание тесно связано с циклом Кальвина, но его последствия вредны, поскольку приводят к потере углекислого газа.
Чтобы справиться с этой проблемой, многие растения развили адаптивные механизмы фотосинтеза, такие как C4 и CAM, чтобы улучшить способность к концентрации углекислого газа в условиях высокой температуры или сухой среды и уменьшить влияние фотодыхания на фотосинтез.
Регуляция фотосинтеза
Стоит отметить, что работа цикла Кальвина ограничена наличием света. На начало и остановку цикла влияет интенсивность света, поскольку для активации RuBisCO требуется энергия и снижающая мощность, обеспечиваемая светозависимой реакцией. Эта сложная система регулирования предназначена для предотвращения бесполезной траты энергии.
В условиях освещения RuBisCO может эффективно осуществлять реакцию карбоксилирования диоксида углерода посредством активации специализированного фермента.
Такое регулирование гарантирует, что растения могут в полной мере использовать световую энергию в течение дня и высвобождать накопленную энергию ночью для поддержания своей жизнедеятельности. Ночью растения не могут выполнять цикл Кальвина и вместо этого преобразуют неизрасходованный крахмал в сахарозу для получения энергии.
Заключение
В целом, RuBisCO, как основной фермент цикла Кальвина, не только играет ключевую роль в процессе производства сахара в растении, но также тесно связан со способностью растения адаптироваться к окружающей среде. Сложность и тонкая регуляция этого процесса отражают чудо и тайну природы. Как в этой сложной среде растения могут адаптироваться к изменению климата, чтобы высвободить больше жизненной энергии?
