ОСНОВЫ БИОХИМИИ ЛЕНИНДЖЕРА - ТОМ 2. БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ - 2014
ЧАСТЬ II. БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ
20. БИОСИНТЕЗ УГЛЕВОДОВ У РАСТЕНИЙ И БАКТЕРИЙ
Вопросы и задачи
1. Разделение метаболизма в органеллах.
Какие преимущества дает растительной клетке наличие разных органелл, где осуществляются разные последовательности реакций, в которых совместно используются общие интермедиаты?
2. Стадии фотосинтеза.
Когда суспензию зеленых водорослей освещают в отсутствие СO2 и затем в темноте инкубируют с 14СO2, 14СO2 за короткое время превращается в [14С] глюкозу. Какое значение имеют эти наблюдения для понимания процессов ассимиляции СO2? Как это связано со световыми реакциями фотосинтеза? Почему превращение 14СO2 в [14С] глюкозу останавливается через короткий промежуток времени?
3. Определение ключевых интермедиатов в ассимиляции СO2.
Кальвин и его коллеги для изучения фотосинтетических реакций ассимиляции углерода использовали одноклеточную зеленую водоросль Chlorella. Они инкубировали 14СO2с освещенной суспензией водорослей и следили за временной зависимостью появления 14С в двух соединениях X и Y при двух наборах различных условий. На основе цикла Кальвина предположите, какие это соединения X и Y.
а) Chlorella росла при освещении в присутствии немеченого СO2. Затем свет выключили и добавили 14СO2 (вертикальная пунктирная линия на графике). При этих условиях X был первым соединением, которое становилось меченым; Y оставался немеченым.
б) Клетки Chlorella выращивали в присутствии 14СO2. Клетки освещали до тех пор, пока не исчерпывался весь 14СO2 (вертикальная пунктирная линия на графике). При этих условиях X становился меченым, но быстро терял свою радиоактивность, в то время как Y со временем становился более радиоактивным.
4. Регуляция цикла Кальвина.
Йодоацетат обратимо взаимодействует со свободными группами -SН остатков цистеина в белках. Какие фермен-
ты цикла Кальвина ингибируются иодоацетатом? Объясните, почему.
5. Тиоредоксин в регуляции ферментов цикла Кальвина.
Мотохаши с коллегами использовали тиоредоксин в качестве ловушки для выявления в растительных экстрактах белков, активируемых тиоредоксином. Для этого они синтезировали модификацию тиоредоксина, в котором один из остатков Cys был замещен на Ser. Объясните, зачем для экспериментов была необходима такая модификация.
6. Сравнение восстановительного и окислительного пентозофосфатных путей.
В восстановительном пентозофосфатном пути образуются лишь некоторые интермедиаты, идентичные тем, что есть в окислительном пентозофосфатном пути (гл. 14). Какова роль каждого пути в клетках, где он происходит?
7. Фотодыхание и митохондриальное дыхание.
Сравните цикл фотосинтетического окисления углерода (С2-цикл), также называемый фотодыханием, с митохондриальным дыханием — движущей силой синтеза АТР. Почему названия обоих процессов имеют отношение к дыханию? Где они происходят в клетке и при каких условиях? Каков путь потока электронов в каждом случае?
8. Рубиско и состав атмосферы.
Толберт утверждал, что двойственная специфичность рубиско для СO2 и O2 не просто возникла как следствие эволюции фермента при низком содержании кислорода. При этом он предполагал, что соотношение карбоксилазной и оксигеназной активностей рубиско на самом деле урегулировало, а теперь и поддерживает соотношение СO2 и O2 в атмосфере Земли. Обсудите все «за» и «против» этой гипотезы в молекулярных и общих терминах. Каким образом существование С4-организмов вытекает из этой гипотезы?
9. Роль седогептулозо-1,7-бисфосфатазы.
Какое влияние на клетку и на организм человека мог бы оказать дефект седогептулозо-1,7- бисфосфатазы (а) в гепатоците? (б) В листе зеленого растения?
10. Путь ассимиляции СO2 у кукурузы.
Если растения кукурузы освещать в присутствии 14СO2, примерно через секунду более чем 90% радиоактивности, включенной в клетку, окажется в положениях С-4 малата, аспартата и оксалоацетата. Только через 60 с 14С появится в 3-фосфоглицерате в положении С-1. Объясните, почему.
11. Идентификация CAM-растений.
Имея немного 14СO2 и все инструменты, обычные для биохимической исследовательской лаборатории, какой бы вы поставили простой эксперимент для определения, является ли данное растение типичным С4- или САМ-растением?
12. Химия малатдегидрогеназы.
Малатдегидрогеназа, найденная в клетках обкладки С4- растений, осуществляет реакцию, которая имеет аналог в цикле трикарбоновых кислот. Что это за реакция? Обоснуйте свой выбор.
13. Цена хранения глюкозы в виде крахмала.
Напишите последовательность стадий и итоговую реакцию, необходимую для расчета «стоимости» (в молекулах АТР) превращения цитозольного глюкозо-6-фосфата в крахмал и обратно в глюкозо-6-фосфат. Какую долю от максимального числа молекул АТР, доступного при полном катаболизме глюкозо-6-фосфат до СO2 и Н2O, представляет эта «цена»?
14. Неорганическая пирофосфатаза.
Фермент неорганическая пирофосфатаза делает многие биосинтетические реакции, в которых образуется неорганический пирофосфат, практически необратимыми. Поддерживая концентрацию РРi очень низкой, фермент «толкает» эту реакцию в сторону образования РРi. Синтез ADP-глюкозы в хлоропластах является одной из реакций, которые сдвинуты таким механизмом в сторону образования ADP-глюкозы. Однако синтез UDP-глюкозы в цитозоле растительной клетки, в результате которого образуется РРi, in vivo легко обратим. Как вы объясните противоречивость этих фактов?
15. Регуляция синтеза крахмала и сахарозы.
Синтез сахарозы происходит в цитозоле, а синтез крахмала — в строме хлоропласта, но тем не менее эти два процесса сложно сбалансированы. Какие факторы сдвигают реакции в сторону (а) синтеза крахмала и (б) синтеза сахарозы?
16. Регуляция синтеза сахарозы.
В регуляции синтеза сахарозы из триозофосфатов, образованных при фотосинтезе, ключевые роли играют 3-фосфоглицерат и Рi (см. рис. 20-26). Объясните, почему о скорости фотосинтеза можно судить по концентрации этих двух регуляторов.
17. Сахароза и кариес зубов.
Наиболее распространенная инфекция у людей — кариес зубов, который появляется из-за колонизации и разрушения зубной эмали различными подкисляющими среду микроорганизмами. Эти микроорганизмы живут в так называемых зубных пятнах, которые образуют на зубах не растворимые в воде сетчатые полимеры декстраны, состоящие из α (1 —> 6)-связанных глюкозных единиц и имеющие множество точек α (1 —> 3)- ветвления. Для полимеризации декстрана требуется сахароза пищи; реакция катализируется бактериальным ферментом декстран- сахарозоглюкозилтрансферазой.
а) Напишите полную реакцию полимеризации декстрана.
б) Кроме того, что сахар служит субстратом при образовании зубных пятен, каким образом сахароза пищи обеспечивает бактерии, обитающие в ротовой полости, обильным источником метаболической энергии?
18. Различия между С3- и С4-растениями.
Род растений Artiplex включает несколько С3- и несколько С4-растений. Пользуясь графиками (вид 1, черная кривая; вид 2, красная кривая) идентифицируйте, какое из растений является С3-растением, а какое — С4-растением. Аргументируйте ответ, согласуя свои рассуждения с графическими данными.
19. С4-путь в одной клетке.
У типичных С4- растений начальный захват СO2 происходит в одном типе клеток, а цикл Кальвина — в другом (см. рис. 20-23). Вознесенская с коллегами описали растение Bienertia cycloptera, которое растет на почвах слабой засоленности в полупустынях Центральной Азии. Растение проявляет биохимические свойства С4-растения, но в отличие от типичных С4-растений не разделяет реакции фиксации СO2 в двух типах клеток. ФЕП-карбоксилаза и рубиско присутствуют у этого растения в одной и той же клетке. Однако под микроскопом видно, что в клетке два типа хлоропластов, которые локализованы в разных ее частях. Один тип содержит относительно мало гран (тилакоидов) и расположен по периферии, а типичные хлоропласты отделены от периферических хлоропластов большими вакуолями. Через вакуоли проходят тонкие цитозольные мостики, соединяя периферическую и центральную цитозоль.
Где вы ожидаете найти у этого растения (а) ФЕП-карбоксилазу, (б) рубиско; (в) гранулы крахмала? Объясните ответы на основе способа фиксации СO2 в этих С4-клетках.
Анализ экспериментальных данных
20. Рубиско из бактерий-эндосимбионтов, выделенных из животных, населяющих гидротермальные источники.
Подводные гидротермальные источники — местообитание, где складываются удивительные экосистемы. На больших глубинах, где нет света, необходимого для фотосинтеза, обнаружены процветающие сообщества организмов. Их существование обеспечивает хемосинтез, осуществляемый бактериями- симбионтами, населяющими специфические органы (трофосомы) некоторых глубоководных животных.
Хемосинтез таких бактерий практически идентичен фотосинтезу. Диоксид углерода СO2 фиксируется ферментом рубиско (рибулозо-1,5- бисфосфаткарбоксилазой) и восстанавливается до глюкозы, а необходимые количества АТР и NADPH образуются в процессе переноса электронов, сходном с тем, что происходит при световых реакциях фотосинтеза. Основное различие состоит в том, что при хемосинтезе энергия, необходимая для перемещения электронов, берется из экзергонических химических реакций, а не из света. Для своих целей разные хемосинтезирующие бактерии используют различные реакции. Бактерии, обнаруженные в животных из гидротермальных источников, обычно используют окисление H2S (которого много в глубоководных источниках) с помощью O2, в результате чего образуется элементная сера. Эти бактерии также используют превращение H2S в серу как источник электронов для восстановления СO2.
а) Какова суммарная реакция хемосинтеза у этих бактерий? Нет необходимости подводить баланс в этом уравнении, лишь назовите исходные вещества и продукты.
б) В итоге энергия, используемая этими бактериями-эндосимбионтами, происходит от солнечного света. Объясните это утверждение.
Робинсон с коллегами (2003) использовали свойства рубиско из бактерии-симбионта, поселяющегося в гигантских трубчатых червях Riftia pachyptila. Рубиско из любого источника катализирует реакцию СO2 (рис. 20-7) или O2 (рис. 20-20) с рибулозо-1,5-бисфосфатом. Обычно рубиско легче реагирует с СO2, чем с O2. Степень селективности (Ω) можно выразить следующим образом:
Vкарбоксилирование / Vоксигенирование = Ω ([СO2]/[O2])
где V — скорость реакции.
Робинсон с коллегами определили значение Ω для рубиско из бактерий-эндосимбионтов. Они очистили фермент из трофосом трубчатого червя, провели реакции со смесью O2и СO2, взятых в разных соотношениях, в присутствии [1-3Н] рибулозо- 1,5-бисфосфата и измерили отношение концентраций [3Н] фосфоглицерата и [3Н] фосфогликолата.
в) Измеренное отношение концентраций [3Н] фосфоглицерата и [3Н] фосфогликолата равно отношению Vкарбоксилирование / Vоксигенировапие.
Объясните, почему.
г) Почему [5-3Н] рибулозо-1,5-бисфосфат — неподходящий субстрат для данного исследования?
Для рубиско из эндосимбионта Ω = 8,6 ± 0,9.
д) В атмосферном воздухе содержание молекул O2 составляет 20%, а СO2 — около 380 ррm (частей на миллион). Если бы эндосимбионты могли осуществлять реакции хемосинтеза при атмосферных условиях, определите отношение скоростей реакции Vкарбоксилирование/Vоксигенирование?
е) Основываясь на своем ответе на предыдущее задание, оцените Ω для рубиско из наземных растений: Ω >8,6, Ω <8,6 или Ω = 8,6. Поясните ответ.
В природе встречаются два стабильных изотопа углерода: преобладает изотоп 12С, меньшую распространенность имеет 13С. Катализируемые рубиско реакции фиксации 12СО2протекают быстрее, чем реакции фиксации 13СО2. В результате молекула глюкозы немного обогащена 12С по сравнению с изотопным составом СО2 в окружающей среде. Предпочтительное использование 12СО2 объясняется целым рядом факторов, в частности, физическими свойствами газов. Температура газа связана с кинетической энергией его молекул. Кинетическая энергия равна 1/2mv2, где m — молекулярная масса, a v — скорость молекул. Таким образом, при одинаковой температуре (одинаковой кинетической энергии) молекулы более легкого газа движутся быстрее молекул более тяжелого газа.
ж) Как этот факт связан с тем, что рубиско «предпочитает» 12СO2 по сравнению с 13СO2?
Одним из первых доказательств того, что трубчатые черви получают фиксированный углерод от эндосимбионтов, был тот факт, что в организме этих животных отношение 13С/12С гораздо ближе к соответствующему значению у бактерий, чем у других морских животных.
з) Почему это является более убедительным доказательством симбиоза, чем более ранние исследования, просто показавшие наличие рубиско у бактерий из трофосом?