9. Укажите светонезависимые стадии фотосинтеза. Опишите основные стадии цикла Кальвина. Какова биологическая роль этого процесса?

Светонезависимые стадии фотосинтеза еще называют темновыми реакциями. Для этих реакций, протекающих в строме, свет не нужен. Восстановление СО₂ происходит за счет энергии АТФ и восстановительной силы НАДФ*Н₂, образующихся при световых реакциях. Последовательность этих реакций была определена в США Кальвином, Бенсоном и Бэссемом. Кальвин получил за это Нобелевскую премию.

Цикл Кальвина (цикл трикарбоновых кислот, С3- цикл) заключается в восстановлении СО₂ до С₆Н₁₂О₆: три стадии 1) карбоксилирование - рибулозо-1,5-бифосфат под возд-ем СО₂ и Н₂О при участии фермента р1,5-БФ-карбоксилазы переходит в 2 мол 3-фосфоглицерата; 2) восстановление - 3-ФГ с использованием АТФ переходит в молекулу дифосфоглицерата (ДФГ); 3) ДФГ с использованием НАДФ*Н₂ восстанавливается до глицеральдегид-3-фосфат, часть которого переходит в шестиатомную гексозу – фруктозудифосфат, остальная часть возвращается в цикл (реабилитация)

Фиксация двуокиси углерода:

РиБФ- карбоксилаза

Рибулозобифосфат(5С) + СO2 + H2O  2 Фосфоглицериновая к-та(3С)

Образующийся шестиуглеродный продукт неустойчив и сразу же распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты, которая и является первым продуктом фотосинтеза. Фермент рибулозобифосфат-карбоксилаза содержится в строме хлоропластов в большом количестве.

Восстановительная фаза: Фосфоглицериновыйальдегид(3С)  триозофосфат

Фосфоглицериновая кислота содержит три атома углерода и имеет кислотную карбоксильную группу. Триозофосфат, или глицеральдегидфосфат имеет альдегидную группу. Для удаления кислорода из ФГК (т.е. для ее восстановления используется восстановительная сила НАДФ*Н2 и энергия АТФ. Реакция протекает в два этапа: сначала расходуется часть АТФ, образовавшегося в ходе световых реакций, а затем используется весь НАДФ*Н2, также полученный на свету. (Образуется НАДФ*Н₂ и АДФ+Фн). Суммарный результат – восстановление карбоксильной группы кислоты до альдегидной группы. Продукт реакции триозофосфат, т.е. трехуглеродный сахар с присоединенной к нему фосфатной группой.

Регенерация акцептора для CO2-рибулозобифосфата

Часть триозофосфата должна израсходоваться на регенерацию рибулозобифосфата, который используется в первой реакции. Этот процесс представляет собой сложный цикл, в котором участвуют сахарофосфаты с 3,4,5,6,7 атомами углерода. Именно здесь и расходуется остальной АТФ. Остаток АТФ используется на фосфорилирование рибулозобифосфата.

Суммарное уравнение:

18 АТФ ––> 18 АДФ + 18 Ф

6 Н₂О + 6 СО₂ ----------------------------------2триозофосфат)

12 НАДФ*Н2 ––> 12 НАДФ +12 Н₂О

Биологическая роль темновой фазы фотосинтеза – образование органических веществ. Эти вещества идут в дальнейшем на жизненные нужды растения, например, участвуя в процессах дыхания.

11. Обоснуйте концепцию хемиосмотического сопряжения.

Изучением вопроса синтеза АТФ активно занимаются на протяжении 50 лет, однако четкого представления о механизмах синтеза АТФ пока нет. В последнее время активно обсуждались 2 теории: гипотеза химического сопряжения и хемиосмотическая гипотеза.

Согласно первой синтез АТФ сопряжен с переносом е при посредстве одного или нескол высокоэнергетич промежут продуктов. Энергия, высвобождаемая при переносе е в ОВР дыхательной цепи, используется в нескол ее звеньях для обр-я высокоэнергетической связи в одном из таких продуктов. Затем при фосфорилировании АДФ эта энергия переходит в АТФ. Но до сих пор такие промежуточные продукты обнаружить не удалось и гипотезу нельзя считать убедительной.

Большее признание завоевала хемиосмотическая гипотеза, выдвинутая Митчеллом в 1961 г. Он полагал, что синтез АТФ находится в тесной зависимости от того, каким образом электроны и протоны передаются по дыхательной цепи. Гипотеза требует следующих условий: 1) внутрен митохондриальная мембрана д.б. интактна и непроницаема д/протонов, направляющихся снаружи внутрь; 2) в рез-те активности дыхательной цепи Н⁺ поступают в нее изнутри, из матрикса, а освобождаются на наружной стороне мембраны; 3) движение Н⁺, направленное изнутри наружу, приводит к их накоплению, вследствие чего м/у двумя сторонами митохондриальной мембраны возникает градиент рН. Это м.б. связано с тем, что ферменты, принимающие и отдающие Н⁺ расположены в мембране опред образом и и могут принимать ионы Н⁺ только изнутри и отдавать только наружу. 4) сам по себе градиент рН не мог бы поддерживаться т.к. Н⁺ диффундировали бы обратно в митохондрию. Поддержание такого градиента требует затрат энергии. Предполагается, что энергию поставляет перенос е по дыхательной цепи; 5) эта энергия испол-ся затем для синтеза АТФ, который т.о. поддерживается наличием градиента рН. 6) АТФ обр-ся в рез-те фосфорилирования АДФ: АДФ +Ф_н  АТФ + Н₂О.

По з-ну действующих масс удаление воды должно ускорять реакцию, идущую слева направо, т.е. благоприятствовать образованию АТФ. Согласно теории Митчелла, фермент, ответственный за образование Н₂О при синтезе АТФ, ориентирован в мембране таким образом, что ионы водорода освобождаются с внутренней стороны мембраны, где значение рН выше (т.е. концентрация Н⁺ меньше), а ОН^– ионы – с наружной стороны, где рН ниже (т.е. концентрация Н⁺ больше). Таким образом, вода, образующаяся при синтезе АТФ, быстро удаляется, и это стимулирует синтез.

Из данной концепции ясно почему мембрана д.б. интактной (в ней расположены ферменты, ответственные за прохождение Н⁺ и за образование воды, так что любое изменение мембраны сказалось бы на расположении ферментов и на их структуре), также требование непроницаемости мембраны для ионов водорода (в направление снаружи внутрь): т.к. трансмембранный градиент рН, лежащий в основе концепции, не мог бы поддерживаться, если бы мембрана была полностью проницаема. И в отличие от предыдущей гипотезы данная концепция обходится без каких-либо промежуточных продуктов.