Белок и всё о нём в биологии и химии

Эффективность работы корней зависит от размера поверхности, находящейся в контакте с почвой, и от проницаемости их поверхности. Очевидно, корневые системы с многочисленными мелкими ответвлениями должны быть более эффективными, чем состоящие из небольшого количества крупных, слабо разветвленных корней. Микоризы, по-видимому, повышают эффективность поглощения минеральных веществ благодаря тому, что гифы далеко распространяются в почве, увеличивая таким образом поглощающую поверхность. Они также долго сохраняют активную поглощающую систему более старых корней после их опробковения. Влияние микоризных корней на поглощение воды определить труднее. По сообщению некоторых исследователей, наличие микоризы повышает засухоустойчивость сеянцев древесных растений. Кроме того, сопротивление передвижению воды через корни сои уменьшается благодаря наличию микоризы. Как отмечалось выше, значительное поглощение воды и минеральных веществ происходит через опробковевшие корни, несмотря на их относительно низкую проницаемость.

3. Темновая стадия фотосинтеза. Цикл Кальвина.

На второй (темновой) стадии фотосинтеза химическая энергия (в виде АТФ ), запасенная в ходе световой реакции, используется для восстановления углерода. Углерод доступен для фотосинтезирующих клеток в виде диоксида углерода, причем настоящие водоросли , багрянки и цианобактерии усваивают СО2, растворенный в воде. У высших растений диоксид углерода поступает к фотосинтезирующим клеткам через устьица.

Восстановление углерода происходит в строме хлоропласта в цикле реакций, известных как цикл Кальвина (по имени М.Кальвина, Нобелевская премия 1961 г. за его открытие), аналогичный циклу Кребса, поскольку в конце цикла происходит регенерация исходного соединения.

Исходное (или конечное) соединение цикла Кальвина - пятиуглеродный сахар, фосфорилированный двумя фосфатными остатками - рибулозо-1,5-бифосфат (РБФ) . СО2 входит в цикл и фиксируется на РБФ. Образуемое при этом шестиуглеродное соединение затем расщепляется на две молекулы 3-глицерофосфата. Каждая молекула 3-глицерофосфата содержит 3 атома углерода, в силу чего другое название цикла Кальвина - С3-путь (говорят еще о С3-типе фотосинтеза и о С3-растениях). Катализирует эти ключевые реакции фермент рибулозобифосфаткарбоксилаза. Он располагается на поверхности тилакоидов . Упрощенная схема цикла Кальвина представлена на рисунке 28 . В течение каждого оборота цикла одна молекула СО2 восстанавливается, а молекула РБФ регенерируется и вновь может участвовать в следующем аналогичном цикле.

Шестиуглеродный сахар глюкоза образуется в результате шести оборотов цикла, которые ведут к "поглощению" 6 молекул СО2.

Суммарное уравнение синтеза глюкозы в ходе цикла Кальвина можно записать следующим образом:

6СО2+12NADН2+18АТФ - +С6Н12О6+12NAD+18АДФ+18Ф+6Н2О.

Цикл Кальвина - не единственный путь фиксации углерода в темновых реакциях. У некоторых растений первый продукт фиксации СО2 - не трехуглеродная молекула 3-глицерофосфата, а четырехуглеродное соединение - оксалоацетат. Отсюда этот путь фотосинтеза получил название С4-пути (С4-растения). Оксалоацетат затем быстро превращается либо в малат, либо в аспартат, которые переносят СО2 к РБФ цикла Кальвина . Существует особая анатомическая структура в мезофиле листа ( кранц-структура ), сопряженная с С4-путем фотосинтеза. У С4-растений цикл Кальвина осуществляется по преимуществу в клетках обкладок проводящих пучков, а С4-путь - в клетках мезофилла . Иначе говоря, С4-растения используют оба пути фотосинтеза, но они в пределах одного растения пространственно разделены. С4-растения более экономно утилизируют СО2, чем С3-растения, отчасти благодаря тому, что фосфоенолпируваткарбоксилаза не ингибируется О2 и, таким образом, С4-растения обладают способностью поглощать СО2 с минимальной потерей воды. Кроме того, у С4-растений практически отсутствует фотодыхание - процесс выделения СО2 и поглощения О2 на свету.

С4-растения известны среди 19 семейств цветковых (из них 3 - однодольные и 16 - двудольные ), и, очевидно, этот путь фотосинтеза возник независимо в разных филетических линиях. Однако практически все С4-растения адаптированы к высокой инсоляции, повышенным температурам и засухе. Оптимальная температура для роста и развития таких растений выше, чем у С3-растений; С4-растения процветают даже при температурах, которые губительны для многих С3-видов.

Помимо С3- и С4-путей известен еще так называемый метаболизм органических кислот по типу толстянковых ( CAM-метаболизм , по начальным буквам английских слов crassulacean acid metabolism). Растения, фотосинтезирующие по CAM-типу, могут фиксировать СО2 в темноте с помощью фермента фосфоенолпируваткарбоксилазы, образуя яблочную кислоту, которая запасается в вакуолях . В течение последующего светового периода яблочная кислота декарбоксилируется и СО2 присоединяется РБФ цикла Кальвина в пределах той же клетки. Иначе говоря, CAM-растения также используют оба пути фотосинтеза, но они разделены в пределах одного растения во времени. CAM-метаболизм обнаружен у многих суккулентных пустынных растений, у которых устьица открыты в ночное время и закрыты днем. CAM- растения, как правило, хорошо адаптированы к засухе, но особенности их метаболизма снижают способность к ассимиляции СО2. Поэтому многие CAM- растения (например, кактусы) растут медленно и вне экстремальных условий слабо конкурируют с С3- и С4-растениями.

В составе хлоропластов имеется фермент, который катализирует соединение молекулы углекислого газа - CO2 с производным пятиуглеродного сахара - рибозы (напомним,что такой сахар в кольцевой форме содержится в составе рибонуклеотидов, из которых состоят молекулы РНК). Это производное рибозы, дважды фосфорилированное (по первому и пятому гидроксилам), является 1,5-рибулезодифосфатом. Ферментом, который катализирует конденсацию СО2 с рибулезо-1,5-дифосфатом , является рибулезо-1,5-дифосфаткарбоксилаза . В результате присоединения одной молекулы CO2 к пятиуглеродному рибулезо- 1,5-ди-фосфату (реакция карбоксилирования) образуется шестиуглеродное промежуточное короткоживущее соединение, которое вследствие гидролиза (присоединения молекулы воды) распадается на две трехуглеродные молекулы фосфоглицериновой кислоты . Группа ферментов катализирует ступенчатое образование из двух таких трехуглеродных молекул одной молекулы шестиуглеродного сахара - фруктозо-6-фосфат , который далее превращается в глюкозу . В свою очередь, глюкоза может ферментативно полимеризоваться в клетках в крахмал , который служит энергетическим резервом, поскольку крахмал ферментативно расщепляется до глюкозы и ее окисляют клетки высших растений, когда действие света прекращается, и прекращается фотосинтез. Глюкоза полимеризуется, образуя также молекулы опорных полисахаридов растений - целлюлозу. Одна молекула гексозы - фруктозо-6-фосфата или глюкозы образуется из шести молекул CO2 . При этом для синтеза молекулы гексозы требуется расходовать 18 молекул АТФ и 12 молекул НАДФН . Фиксация CO2 и превращение углерода в углеводы носят циклический характер, так как часть промежуточных углеводов претерпевает процесс конденсации и перестроек до рибулозодифосфата - первичного акцептора CO2, что обеспечивает непрерывную работу цикла. Впервые этот процесс подробно изучил американский биохимик М. Кальвин, в честь которого и получил название - цикл Кальвина .

Роль световой фазы фотосинтеза сводится к тому, чтобы обеспечить энергией АТФ и восстанавливающим соединением НАДФН биосинтез сахаров.

АТФ и НАДФН служат для биосинтеза и множества иных органических соединений в клетке.

4. Дыхательная цепь. Цитохромная система, её функциональное значение.

Дыхательная электрон-транспортная цепь (ЭТЦ, ETC, Electron transport chain) — система структурно и функционально связанных трансмембранных белков и переносчиков электронов. ЭТЦ позволяет запасти энергию, выделяющуюся в ходе окисления НАД∙Н и ФАДН2 молекулярным кислородом (в случае аэробного дыхания) или иными веществами (в случае анаэробного) в форме трансмембранного протонного потенциала за счёт последовательного переноса электрона по цепи, сопряжённого с перекачкой протонов через мембрану.

У прокариот ЭТЦ локализована в ЦПМ, у эукариот — на внутренней мембране митохондрий. Переносчики расположены по своему окислительно-восстановительному потенциалу, транспорт электрона на всём протяжении цепи протекает самопроизвольно.

Протонный потенциал преобразуется АТФ-синтазой в энергию химических связей АТФ. Сопряжённая работа ЭТЦ и АТФ-синтазы носит название окислительного фосфорилирования.

Электрон-транспортные цепи митохондрий эукариот

Комплекс I (НАДН дегидрогеназа) окисляет НАД∙Н, отбирая у него два электрона и перенося их на растворимый в липидах убихинон, который внутри мембраны диффундирует к комплексу III. Вместе с этим, комплекс I перекачивает 4 протона из матрикса в межмембранное пространство митохондрии.

Комплекс II (Сукцинат дегидрогеназа) не перекачивает протоны, но обеспечивает вход в цепь дополнительных электронов за счёт окисления сукцината.

Комплекс III (Цитохром bc1 комплекс) переносит электроны с убихинола на два водорастворимых цитохрома с, расположенных на внутренней мембране митохондрии. Убихинол передаёт 2 электрона, а цитохромы за один цикл переносят по одному электрону. При этом туда также переходят 2 протона убихинола и 2 перекачиваются комплексом.

Комплекс IV (Цитохром c оксидаза) катализирует перенос 4 электронов с 4 молекул цитохрома на O2 и перекачивает при этом 4 протона в межмембранное пространство. Комплекс состоит из цитохромов a и a3, которые, помимо гема, содержат ионы меди.

Кислород, поступающий в митохондрии из крови, связывается с атомом железа в геме цитохрома a3 в форме молекулы O2. Каждый из атомов кислорода присоединяет по два электрона и два протона и превращается в молекулу воды.

Электрон-транспортные цепи бактерий

Бактерии, в отличие от митохондрий, используют большой набор доноров и акцепторов электронов, а также разные пути переноса электрона между ними. Эти пути могут осуществляться одновременно, например, E. coli при выращивании на среде, содержащей глюкозу в качестве основного источника органического вещества, использует две НАДН дегидрогеназы и две хинолоксидазы, что означает наличие 4 путей транспорта электрона. Большинство ферментов ЭТЦ индуцибельны и синтезируются только в случае, если путь, в который они входят, востребован.

Донором электрона помимо органического вещества у бактерий могут выступать молекулярный водород, угарный газ, аммоний, нитрит, сера, сульфид, двухвалентное железо. Вместо НАДН и сукцинатдегидрогеназы могут присутствовать формиат-, лактат-, глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, гидрогеназа и т. д. Вместо оксидазы, использующейся в аэробных условиях, в отсутствие кислорода бактерии могут использовать редуктазы, восстанавливающие различные конечные акцепторы электрона: фумаратредуктазу, нитрат- и нитритредуктазу и т. д.

Цитохромная система.

В нее входят цитохромы и цитохромоксидаза. Среди оксидаз очень важную роль играют железосодержащие ферменты и переносчики, относящиеся к цитохромной системе. В нее входят цитохромы и цитохромоксидаза. Включаясь в определенной последовательности в процесс переноса электронов, они передают их от флавопротеинов на молекулярный кислород.

Все компоненты цитохромной системы содержат железопорфириновую простетическую группу: При переносе электронов цитохромами железо обратимо окисляется и восстанавливается, отдавая или приобретая электрон и изменяя таким образом свою валентность. В дыхательной цепи направление транспорта электронов определяется величиной окислительно-восстановительного потенциала цитохромов: В этой системе передавать электроны непосредственно на кислород способна только цитохромоксидаза (цит. а + а3). Из всех известных оксидаз она имеет наибольшее сродство к кислороду. Ингибиторами цитохромоксидазы являются СО, цианид, азид. В растительных митохондриях кроме цитохромоксидазы функционирует оксидаза, не подавляемая цианидом и названная альтернативной оксидазой. Например, в митохондриях початков ароидных активность цианидустойчивой оксидазы в 10 раз превышает активность цитохромоксидазы.

Растительные ткани обладают также рядом немитохонд-риальных оксидаз, способных взаимодействовать с кислородом: полифенолоксидазами, аскорбатоксидазой и др.

Полифенолоксидаза, например о-дифенолоксидаза, катализирует перенос е и Н+ от ряда фенолов (гидрохинон, пирокатехин, пирогаллол и др.) на молекулярный кислород: В состав полифенолоксидазы входят атомы меди (0,2 — 0,3 %), непосредственно участвующие в присоединении и отдаче электронов.

Аскорбатоксидаза. К медьсодержащим оксидазам относится также аскорбатоксидаза, окисляющая аскорбиновую кислоту (АК) в дегидроаскорбиновую (ДАК): Работа системы аскорбиновая кислота — аскорбатоксидаза сопряжена с окислением и восстановлением глутатиона с участием глутатионредуктазы: пероксидаза и каталаза.

5. Особенности азотного питания бобовых растений.

На корнях бобовых растений образуются клубеньки, в которых находятся бактерии, способные усваивать азот атмосферы, питаться им и обогащать почву этим элементом. Таким путем создаются лучшие условия для питания злаковых и других культур, которые высевают после бобовых. Польза от посева бобовых растений была обнаружена практиками сельского хозяйства еще задолго до открытия наукой причин, объясняющих это явление.

В 1837г. Ж. Бруссенго  культивированием клевера и гороха на средах, содержащих мало азота, установил, что бобовые растения способны усваивать азот атмосферы. Он доказал, что в условиях стерильной почвы они не могут ассимилировать атмосферный азот. Не смотря на результаты таких опытов, этот вопрос все еще оставался не решенным.

Русскому ученому М.С Воронину в 1865г. Удалось доказать, что в клубеньках на корнях бобовых растений (люпина) находятся мельчайшие тельца-бактерии. Роль их была выяснена в 1886г. Немецким ученым Г. Гельригелем, который доказал их способность фиксировать атмосферный азот в клубеньках. В 1888 г. Клубеньковые бактерии выделил чистую культуру голландский исследователь М. Бейеринг и описал их под названием Bacterium radicicola. В молодых клубеньках бактерии имеют вид мелких подвижных палочек; в клубеньках более позднего возраста они становятся не подвижными и приобретают ветвистую форму, известную под названием бактероидов.

В бактероидах клубеньковых бактерии содержится полимер в-оксимасленная кислота, источник углерода.

Исходя из морфологических и физиологических отличий клубеньковые бактерии подразделяются на 2 группы. Бактерии первой группы хорошо развиваются на средах с желатином и сахаром и образуют сильно раздутые бактероиды без выростов; бактерии второй группы не развиваются на средах с желатином и образуют бактероиды палочковидной формы.

Клубеньковые бактерии по специфичности и принадлежности к определенным родам и видам бобовых растений подразделяются на 10 видов ( по Н.А. Красильникову): 1) бактерии люцерны и донника; 2)бактерии клевера; 3) бактерии гороха, вики, горошка, кормовых бобов, чины, нута; 4) бактерии люпина; 5) бактерии фасоли; 6) бактерии коровьего гороха и арахиса; 7) бактерии эспарцета; 8)бактерии сои; 9) бактерии лоха; 10) бактерии сераделлы.

Финский ученый А.Виртанен в клубеньках бобовых растений открыл 3 пигмента: красный, коричневый и зеленый. Красный пигмент оказался гемоглобином. Количество красного пигмента  в клубеньках зависит от интенсивности света, а также от возраста бобового растения. В ясные солнечные дни клубеньки интенсивно краснеют. Эти пигменты способны к взаимному замещению. Открытие гемоглобина    (леггемоглобин) в клубеньках является доказательством единства происхождения растительного и животного мира. Физиологические свойства клубеньковых бактерий представляют большой интерес. Они важны не только для познания бактерий, но и для определения их активности в процессах ассимиляции азота атмосферы, необходимого при практическом использовании клубениковых бактерии в с/х. После того как удалось получить чистую культуру  Bacterium radicicola, прошло уже более 90 лет, однако до настоящего времени вопрос о способности этих бактерий усваивать атмосферный азот в чистой культуре окончательно не выяснен.