Фотодыхание
Этот лид может содержать слишком много сложных деталей, которые могут заинтересовать только определенную аудиторию . ( декабрь 2023 г. ) |
Фотодыхание (также известное как окислительный фотосинтетический углеродный цикл или C 2 цикл ) относится к процессу метаболизма растений , при котором фермент RuBisCO насыщает кислородом RuBP , тратя впустую часть энергии, вырабатываемой фотосинтезом. Желаемая реакция — присоединение диоксида углерода к RuBP ( карбоксилирование ), ключевой этап цикла Кальвина-Бенсона , но примерно в 25% реакций RuBisCO вместо этого добавляется кислород к RuBP ( оксигенация ), создавая продукт, который нельзя использовать внутри цикл Кальвина-Бенсона. Этот процесс снижает эффективность фотосинтеза, потенциально снижая выход фотосинтеза на 25% у C 3 растений . [1] Фотодыхание включает в себя сложную сеть ферментативных реакций, которые обменивают метаболиты между хлоропластами , пероксисомами листьев и митохондриями .
Реакция оксигенации RuBisCO является расточительным процессом, поскольку 3-фосфоглицерат создается с более низкой скоростью и более высокими метаболическими затратами по сравнению с активностью карбоксилазы RuBP . Хотя фотодыхательный цикл углерода в конечном итоге приводит к образованию G3P , около 25% углерода, зафиксированного фотодыханием, повторно высвобождается в виде CO 2 . [2] и азот, как аммиак . Затем аммиак необходимо обезвредить, что требует значительных затрат для клетки. Фотодыхание также требует прямых затрат одного АТФ и одного НАД(Ф)Н .
Хотя весь процесс принято называть фотодыханием, технически этот термин относится только к метаболической сети, которая спасает продукты реакции оксигенации (фосфогликолят).
Фотодыхательные реакции
[ редактировать ]Добавление молекулярного кислорода к рибулозо-1,5-бисфосфату приводит к образованию 3-фосфоглицерата (PGA) и 2-фосфогликолята (2PG или PG). PGA является нормальным продуктом карбоксилирования и продуктивно вступает в цикл Кальвина . Однако фосфогликолят ингибирует определенные ферменты, участвующие в фотосинтетической фиксации углерода (поэтому его часто называют «ингибитором фотосинтеза»). [3] Его также относительно сложно переработать: у высших растений он сохраняется в результате серии реакций в пероксисоме , митохондриях и снова в пероксисоме , где он превращается в глицерат . Глицерат возвращается в хлоропласт тем же транспортером, который экспортирует гликолат . Стоимость 1 АТФ связана с преобразованием в 3-фосфоглицерат (ФГА) ( фосфорилирование ) внутри хлоропласта , который затем может снова войти в цикл Кальвина.
С этим метаболическим путем связано несколько затрат; продукция перекиси водорода в пероксисоме (связанная с превращением гликолята в глиоксилат). Перекись водорода — опасно сильный окислитель, который необходимо немедленно расщепить на воду и кислород с помощью фермента каталазы . Превращение 2×2Carbon глицина в 1×C3 - серин в митохондриях с помощью фермента глицин-декарбоксилазы является ключевым этапом, который высвобождает CO2 , NH3 и восстанавливает НАД до НАДН. Таким образом, один CO
2 молекулы. образуется На каждые две молекулы O
2 (два из RuBisCO и один из пероксисомального окисления). Ассимиляция NH 3 происходит через цикл GS - GOGAT за счет одного АТФ и одного НАДФН.
У цианобактерий есть три возможных пути метаболизма 2-фосфогликолата. Они не смогут расти, если все три пути отключены, несмотря на то, что у них есть механизм концентрации углерода, который должен резко снизить скорость фотодыхания (см. ниже) . [4]
Субстратная специфичность Рубиско
[ редактировать ]Реакция окислительного фотосинтетического углеродного цикла катализируется активностью RuBP оксигеназной :
- РуБП + О
2 → Фосфогликолят + 3-фосфоглицерат + 2 H +
Во время катализа RuBisCO в активном центре RuBisCO образуется «активированный» интермедиат (промежуточный эндиол). Это промежуточное соединение способно реагировать либо с CO, либо с CO.
2 или О
2 . Было продемонстрировано, что особая форма активного центра RuBisCO стимулирует реакции с CO.
2 . Хотя существует значительная частота «неудач» (~ 25% реакций представляют собой оксигенацию, а не карбоксилирование), это свидетельствует о значительном преимуществе CO.
2 , если принять во внимание относительное содержание двух газов: в современной атмосфере O
2 примерно в 500 раз больше, а в растворе O
2 в 25 раз более распространен, чем CO
2 . [5]
Способность RuBisCO выбирать между двумя газами известна как его коэффициент селективности (или Srel), и она варьируется в зависимости от вида. [5] причем покрытосеменные растения более эффективны, чем другие растения, но с небольшими различиями среди сосудистых растений . [6]
Предлагаемое объяснение неспособности RuBisCO полностью различать CO
2 и О
2 заключается в том, что это эволюционный реликт: [ нужна ссылка ] Ранняя атмосфера, в которой возникли примитивные растения, содержала очень мало кислорода, на раннюю эволюцию RuBisCO не повлияла его способность различать O
2 и СО
2 . [6]
Условия, влияющие на фотодыхание
[ редактировать ]Часть серии о |
Углеродный цикл |
---|
На интенсивность фотодыхания влияют:
Изменение доступности субстрата: понижение CO 2 или повышение O 2
[ редактировать ]Факторы, влияющие на это, включают содержание двух газов в атмосфере, поступление газов к месту фиксации (т. е. у наземных растений: открыты или закрыты устьица ), продолжительность жидкой фазы (насколько далеко эти газы диффундировать через воду, чтобы достичь места реакции). Например, когда устьица закрыты, чтобы предотвратить потерю воды во время засухи : это ограничивает поступление CO 2 , а O
2 производство внутри листа продолжится. В водорослях (и растениях, фотосинтезирующих под водой); газам приходится диффундировать через воду на значительные расстояния, что приводит к снижению доступности CO 2 по отношению к O.
2 . Было предсказано, что увеличение в окружающей среде концентрации CO 2 , прогнозируемое в течение следующих 100 лет, может снизить скорость фотодыхания у большинства растений примерно на 50%. [ нужна ссылка ] . Однако при температурах выше термического оптимума фотосинтеза увеличение скорости оборота не приводит к усилению ассимиляции CO 2 из-за снижения сродства Рубиско к CO 2 . [7]
Повышенная температура
[ редактировать ]При более высоких температурах RuBisCO менее способен различать CO 2 и O.
2 . Это связано с тем, что промежуточный продукт эндиола менее стабилен. Повышение температуры также снижает растворимость CO 2 , тем самым снижая концентрацию CO 2 по сравнению с O.
2 в хлоропласте .
Биологическая адаптация для минимизации фотодыхания
[ редактировать ]Подавляющее большинство растений относятся к С3, то есть при необходимости они фотодыхают. У некоторых видов растений или водорослей есть механизмы снижения поглощения молекулярного кислорода RuBisCO. Их обычно называют механизмами концентрации углерода (CCM), поскольку они увеличивают концентрацию CO 2 , так что RuBisCO с меньшей вероятностью будет производить гликолат в результате реакции с O.
2 .
Биохимические механизмы концентрации углерода
[ редактировать ]Биохимические CCM концентрируют углекислый газ в одной временной или пространственной области посредством метаболитов обмена . Фотосинтез C 4 и CAM использует фермент фосфоенолпируваткарбоксилазу (PEPC) для добавления CO.
2-4 -углеродный сахар. PEPC быстрее, чем RuBisCO, и более селективен в отношении CO.
2 .
С 4
[ редактировать ]Растения C 4 улавливают углекислый газ в своих клетках мезофилла (с помощью фермента под названием фосфоенолпируваткарбоксилаза , который катализирует соединение углекислого газа с соединением под названием фосфоенолпируват (PEP)), образуя оксалоацетат. Этот оксалоацетат затем превращается в малат и транспортируется в клетки оболочки пучка (место фиксации углекислого газа RuBisCO), где концентрация кислорода низкая, чтобы избежать фотодыхания. При этом углекислый газ удаляется из малата и соединяется с РуБФ с помощью РуБисСО обычным способом, и цикл Кальвина протекает в обычном режиме. СО
Концентрации 2 в оболочке пучка примерно в 10–20 раз превышают концентрацию в клетках мезофилла. [6]
Эта способность избегать фотодыхания делает эти растения более выносливыми, чем другие растения, в сухой и жаркой среде, где устьица закрыты, а внутренний уровень углекислого газа низкий. В этих условиях фотодыхание у С4-растений действительно происходит , но на значительно более низком уровне по сравнению с С3 - растениями в тех же условиях. Растения C 4 включают сахарный тростник , кукурузу (кукурузу) и сорго .
САМ (метаболизм крассулацовых кислот)
[ редактировать ]Растения CAM, такие как кактусы и суккуленты , также используют фермент PEP-карбоксилазу для улавливания углекислого газа, но только ночью. Метаболизм крассуловой кислоты позволяет растениям проводить большую часть газообмена в более прохладном ночном воздухе, связывая углерод в 4-углеродные сахара, которые могут выделяться фотосинтезирующим клеткам в течение дня. Это позволяет растениям CAM минимизировать потерю воды ( транспирацию ), сохраняя устьица закрытыми в течение дня. Растения CAM обычно обладают другими водосберегающими характеристиками, такими как толстая кутикула, устьица с маленькими отверстиями, и обычно теряют около 1/3 количества воды на CO.
2 исправлено. [8]
С 2
[ редактировать ]C 2 Фотосинтез (также называемый глициновым челноком и CO 2 фотодыхательным насосом ) представляет собой CCM, который работает, используя, а не избегая, фотодыхание. Он осуществляет рефиксацию углерода, задерживая распад фотодыхаемого глицина, так что молекула перемещается из мезофилла в оболочку пучка . Оказавшись там, глицин декарбоксилируется в митохондриях , как обычно, высвобождая CO 2 и концентрируя его в три раза по сравнению с обычной концентрацией. [9]
Хотя фотосинтез C 2 традиционно понимается как промежуточный этап между C 3 и C 4 , широкий спектр линий растений действительно оказывается на стадии C 2 без дальнейшего развития, показывая, что это собственное эволюционное устойчивое состояние. C 2 может быть легче внедрить в сельскохозяйственные культуры, поскольку для создания фенотипа требуется меньше анатомических изменений. [9]
Водоросли
[ редактировать ]Были сообщения о том, что водоросли управляют биохимическим механизмом CCM: перемещают метаболиты внутри отдельных клеток для концентрации CO 2 в одной области. Этот процесс до конца не изучен. [10]
Биофизические механизмы концентрации углерода
[ редактировать ]Этот тип механизма концентрации углерода (CCM) основан на изолированном отсеке внутри клетки, в который переносится CO 2 и где RuBisCO сильно экспрессируется. У многих видов биофизические CCM индуцируются только при низких концентрациях углекислого газа. Биофизические СКК являются более древними с эволюционной точки зрения, чем биохимические СКК. Существуют некоторые споры относительно того, когда впервые появились биофизические CCM, но, вероятно, это произошло в период низкого содержания углекислого газа, после Великого события оксигенации (2,4 миллиарда лет назад). Низкий уровень выбросов CO
Два периода произошли около 750, 650 и 320–270 миллионов лет назад. [11]
Эукариотические водоросли
[ редактировать ]Почти у всех видов эукариотических водорослей ( заметным исключением является Chloromonas ) при индукции CCM ~95% RuBisCO плотно упаковано в единственный субклеточный компартмент: пиреноид . Углекислый газ концентрируется в этом отсеке с помощью комбинации насосов CO 2 , бикарбонатных насосов и карбоангидразы . Пиреноид не представляет собой мембраносвязанный отсек, а находится внутри хлоропласта, часто окруженный крахмальной оболочкой (которая, как считается, не выполняет функцию в СКК). [12]
Роголистники
[ редактировать ]Некоторые виды роголистника - единственные наземные растения, которые, как известно, имеют биофизический CCM, включающий концентрацию углекислого газа в пиреноидах их хлоропластов.
Цианобактерии
[ редактировать ]Цианобактериальные ККМ в принципе аналогичны тем, что обнаружены в эукариотических водорослях и роголистниках, однако отсек, в котором концентрируется углекислый газ, имеет ряд структурных отличий. Вместо пиреноида цианобактерии содержат карбоксисомы , имеющие белковую оболочку, и белки-линкеры, упаковывающие внутри RuBisCO очень регулярной структуры.Цианобактериальные CCM гораздо лучше изучены, чем обнаруженные у эукариот , отчасти из-за простоты генетических манипуляций с прокариотами .
Возможная цель фотодыхания
[ редактировать ]Снижение фотодыхания может не привести к увеличению скорости роста растений. Фотодыхание может быть необходимо для ассимиляции нитратов из почвы. Таким образом, снижение фотодыхания с помощью генной инженерии или из-за увеличения содержания углекислого газа в атмосфере может не пойти на пользу растениям, как предполагалось. [13] За связь фотодыхания и ассимиляции азота могут отвечать несколько физиологических процессов. Фотодыхание увеличивает доступность НАДН, который необходим для превращения нитратов в нитриты . Некоторые переносчики нитритов также переносят бикарбонат , а повышенный уровень CO 2 , как было показано, подавляет транспорт нитритов в хлоропласты. [14] Однако в сельском хозяйстве замена естественного пути фотодыхания искусственно разработанным синтетическим путем метаболизма гликолата в хлоропластах привела к увеличению роста сельскохозяйственных культур на 40 процентов. [15] [16] [17]
значительно ниже Хотя фотодыхание у видов C 4 , оно по-прежнему является важным путем – мутанты без функционирующего метаболизма 2-фосфогликолята не могут расти в нормальных условиях. Было показано, что один мутант быстро накапливает гликолат. [18]
Хотя функции фотодыхания остаются спорными, [19] широко признано, что этот путь влияет на широкий спектр процессов: от биоэнергетики, функции фотосистемы II и углеродного метаболизма до ассимиляции азота и дыхания. Оксигеназная реакция RuBisCO может предотвратить истощение CO 2 вблизи его активных центров. [20] и способствует регулированию концентрации CO 2. в атмосфере. [21] Фотодыхательный путь является основным источником перекиси водорода ( H
22О
2 ) в фотосинтезирующих клетках. Через Н
22О
2 и взаимодействиями пиримидиновых нуклеотидов, фотодыхание вносит ключевой вклад в клеточный окислительно-восстановительный гомеостаз. При этом он влияет на множество сигнальных путей, в частности на те, которые управляют гормональными реакциями растений, контролирующими рост, экологические и защитные реакции, а также запрограммированную гибель клеток. [19]
Было высказано предположение, что фотодыхание может функционировать как «предохранительный клапан». [22] предотвращение реакции избыточного восстановительного потенциала, исходящего из сверхвосстановленного НАДФН -пула, с кислородом и образования свободных радикалов (оксидантов), поскольку они могут повредить метаболические функции клетки путем последующего окисления мембранных липидов, белков или нуклеотидов. Мутанты, дефицитные по фотодыхательным ферментам, характеризуются высоким окислительно-восстановительным уровнем в клетке, [23] нарушение устьичной регуляции, [24] и накопление формиата . [25]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Шарки Т. (1988). «Оценка скорости фотодыхания листьев». Физиология Плантарум . 73 (1): 147–152. дои : 10.1111/j.1399-3054.1988.tb09205.x .
- ^ Лигуд RC (май 2007 г.). «Добро пожаловать отвлечение от фотодыхания». Природная биотехнология . 25 (5): 539–40. дои : 10.1038/nbt0507-539 . ПМИД 17483837 . S2CID 5015366 .
- ^ Петерансель С., Краузе К., Браун Х.П., Эспи Г.С., Ферни А.Р., Хансон Д.Т., Кич О., Маурино В.Г., Милевчик М., Сейдж РФ (июль 2013 г.). «Инженерное фотодыхание: современное состояние и будущие возможности». Биология растений . 15 (4): 754–8. Бибкод : 2013PlBio..15..754P . дои : 10.1111/j.1438-8677.2012.00681.x . ПМИД 23121076 .
- ^ Эйзенхут М., Рут В., Хаймович М., Бауве Х., Каплан А., Хагеманн М. (ноябрь 2008 г.). «Фотореспираторный метаболизм гликолата важен для цианобактерий и может передаваться растениям эндосимбионтно» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (44): 17199–204. Бибкод : 2008PNAS..10517199E . дои : 10.1073/pnas.0807043105 . ПМК 2579401 . ПМИД 18957552 .
- ^ Jump up to: а б Гриффитс Х. (июнь 2006 г.). «Биология растений: проекты Рубиско». Природа . 441 (7096): 940–1. Бибкод : 2006Natur.441..940G . дои : 10.1038/441940a . ПМИД 16791182 . S2CID 31190084 .
- ^ Jump up to: а б с Элерингер-младший, Сейдж Р.Ф., Фланаган Л.Б., Пирси Р.В. (март 1991 г.). «Изменение климата и эволюция фотосинтеза C (4)». Тенденции в экологии и эволюции . 6 (3): 95–9. дои : 10.1016/0169-5347(91)90183-x . ПМИД 21232434 .
- ^ Эрмида-Каррера, Кармен; Капралов Максим В.; Гальмес, Джерони (21 июня 2016 г.). «Каталитические свойства Рубиско и температурная реакция сельскохозяйственных культур» . Физиология растений . 171 (4): 2549–61. дои : 10.1104/стр.16.01846 . ПМЦ 4972260 . ПМИД 27329223 .
- ^ Таиз Л., Зейгер Э. (2010). «Глава 8: Фотосинтез: углеродные реакции: неорганические механизмы концентрации углерода: метаболизм крассуловой кислоты (CAM)». Физиология растений (Пятое изд.). Sinauer Associates, Inc. с. 222.
- ^ Jump up to: а б Лундгрен, Марджори Р. (декабрь 2020 г.). «Фотосинтез C 2: многообещающий путь к улучшению урожая?» . Новый фитолог . 228 (6): 1734–1740. дои : 10.1111/nph.16494 . ПМИД 32080851 .
- ^ Джордано М., Бердалл Дж., Рэйвен Дж.А. (июнь 2005 г.). «Механизмы концентрации CO 2 в водорослях: механизмы, модуляция окружающей среды и эволюция». Ежегодный обзор биологии растений . 56 (1): 99–131. doi : 10.1146/annurev.arplant.56.032604.144052 . ПМИД 15862091 .
- ^ Рэйвен Дж.А., Джордано М., Бердалл Дж., Маберли СК (февраль 2012 г.). «Эволюция водорослей по отношению к атмосферному CO 2 : карбоксилазы, механизмы концентрации углерода и циклы окисления углерода» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 367 (1588): 493–507. дои : 10.1098/rstb.2011.0212 . ПМК 3248706 . ПМИД 22232762 .
- ^ Вилларехо А., Мартинес Ф., Пино Плумед М., Рамазанов З. (1996). «Индукция механизма концентрации CO 2 у безкрахмального мутанта Chlamydomonas Reinhardtii». Физиология Плантарум . 98 (4): 798–802. дои : 10.1111/j.1399-3054.1996.tb06687.x .
- ^ Рахмилевич С., Казинс А.Б., Блум А.Дж. (август 2004 г.). «Усвоение нитратов в побегах растений зависит от фотодыхания» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (31): 11506–10. Бибкод : 2004PNAS..10111506R . дои : 10.1073/pnas.0404388101 . ПМК 509230 . ПМИД 15272076 .
- ^ Блум А.Дж., Бургер М., Рубио Асенсио Дж.С., Казинс А.Б. (май 2010 г.). «Обогащение углекислым газом подавляет ассимиляцию нитратов у пшеницы и арабидопсиса». Наука . 328 (5980): 899–903. Бибкод : 2010Sci...328..899B . дои : 10.1126/science.1186440 . ПМИД 20466933 . S2CID 206525174 .
- ^ Южный PF, Кавана AP, Лю Х.В., Орт ДР (январь 2019 г.). «Пути метаболизма синтетического гликолата стимулируют рост сельскохозяйственных культур и продуктивность в поле» . Наука . 363 (6422): eaat9077. дои : 10.1126/science.aat9077 . ПМЦ 7745124 . ПМИД 30606819 .
- ^ Тиммер Дж (7 декабря 2017 г.). «Теперь мы, возможно, сможем создать самый важный паршивый фермент на планете» . Арс Техника . Проверено 5 января 2019 г.
- ^ Тиммер Дж (3 января 2019 г.). «Исправить фотосинтез, переработав токсичную ошибку» . Арс Техника . Проверено 5 января 2019 г.
- ^ Забалета Э., Мартин М.В., Браун Х.П. (май 2012 г.). «Базальный механизм концентрации углерода в растениях?» . Наука о растениях . 187 : 97–104. doi : 10.1016/j.plantsci.2012.02.001 . hdl : 11336/13266 . ПМИД 22404837 . S2CID 25371100 .
- ^ Jump up to: а б Фойер CH, Блум AJ, Кеваль Дж, Ноктор Дж (2009). «Фотодыхательный метаболизм: гены, мутанты, энергетика и окислительно-восстановительная передача сигналов». Ежегодный обзор биологии растений . 60 (1): 455–84. doi : 10.1146/annurev.arplant.043008.091948 . ПМИД 19575589 .
- ^ Игамбердиев А.У. (2015). «Контроль функции Рубиско посредством гомеостатического уравновешивания подачи CO 2 » . Границы в науке о растениях . 6 : 106. doi : 10.3389/fpls.2015.00106 . ПМЦ 4341507 . ПМИД 25767475 .
- ^ Игамбердиев А.У., Леа П.Дж. (февраль 2006 г.). «Наземные растения уравновешивают концентрации O 2 и CO 2 в атмосфере». Исследования фотосинтеза . 87 (2): 177–94. Бибкод : 2006PhoRe..87..177I . дои : 10.1007/s11120-005-8388-2 . ПМИД 16432665 . S2CID 10709679 .
- ^ Штульфаут Т., Шойерманн Р., Фок Х.П. (апрель 1990 г.). «Диссипация световой энергии в условиях водного стресса: вклад реассимиляции и доказательства дополнительных процессов» . Физиология растений . 92 (4): 1053–61. дои : 10.1104/стр.92.4.1053 . ПМК 1062415 . ПМИД 16667370 .
- ^ Игамбердиев А.У., Быкова Н.В., Леа П.Дж., Гардестрем П. (апрель 2001 г.). «Роль фотодыхания в окислительно-восстановительном и энергетическом балансе фотосинтезирующих растительных клеток: исследование мутанта ячменя с дефицитом глициндекарбоксилазы». Физиология Плантарум . 111 (4): 427–438. дои : 10.1034/j.1399-3054.2001.1110402.x . ПМИД 11299007 .
- ^ Игамбердиев А.У., Миккельсен Т.Н., Амбус П., Бауве Х., Леа П.Дж., Гардестрем П. (2004). «Фотодыхание способствует регуляции устьиц и фракционированию изотопов углерода: исследование на растениях ячменя, картофеля и арабидопсиса с дефицитом глициндекарбоксилазы». Исследования фотосинтеза . 81 (2): 139–152. Бибкод : 2004PhoRe..81..139I . doi : 10.1023/B:PRES.0000035026.05237.ec . S2CID 9485316 .
- ^ Винглер А., Леа П.Дж., Лигуд Р.К. (1999). «Фотодыхательный метаболизм глиоксилата и формиата у глицин-накапливающих мутантов ячменя и Amaranthus edulis 2». Планта . 207 (4): 518–526. Бибкод : 1999Plant.207..518W . дои : 10.1007/s004250050512 . S2CID 34817815 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Стерн К. (2003). Введение в биологию растений . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-290941-8 .
- Сидов Ю.Н., День Д (2000). «Глава 14: Дыхание и фотодыхание». Биохимия и молекулярная биология растений . Американское общество физиологов растений.