Вопрос 1
С3-фотосинтез, цикл Кальвина
Цикл Кальвина или восстановительный пентозофосфатный цикл состоит из трёх стадий:
Карбоксилирования
Восстановления
Регенерация акцептора CO2
На первой стадии к рибулозо-1,5-бифосфату присоединяется CO2 под действием фермента рибулозобисфосфат-карбоксилаза/оксигеназа (Rubisco). Этот белок составляет основную фракцию белков хлоропласта и предположительно наиболее распространённый фермент в природе. В результате образуется промежуточное неустойчивое соединение, распадающееся на две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (ФГК).
Во второй стадии ФГК в два этапа восстанавливается. Сначала она фосфорилируется АТФ под действием фосфороглицерокиназы, затем НАДФН при воздействии триозофосфатдегидрогеназы её карбоксильная группа окисляется до альдегидной и она становится углеводом (ФГА).
В третьей стадии участвуют 5 молекул ФГА, которые через образование 4-, 5-, 6- и 7-углеродных соединений объединяются в 3 5-углеродных рибулозо-1,5-бифосфата, для чего необходимы 3АТФ.
Наконец, две ФГА необходимы для синтеза глюкозы. Для образования одной её молекулы требуется 6 оборотов цикла, 6 CO2, 12 НАДФН и 18 АТФ.
С4-фотосинтез
При низкой концентрации растворённого в строме CO2 рибулозобисфосфаткарбоксилаза катализирует реакцию окисления рибулозо-1,5-бифосфата и его распад на 3-фосфоглицериновую кислоту и фосфогликолевую кислоту, которая вынужденно используется в процессе фотодыхания.
Для увеличения концентрации CO2 растения С4 типа изменили анатомию листа. Цикл Кальвина у них локализуется в клетках обкладки проводящего пучка, в клетках мезофилла же под действием ФЕП-карбоксилазы фосфоенолпируват карбоксилируется с образованием щавелеуксусной кислоты, которая превращается в малат или аспартат и транспортируется в клетки обкладки, где декарбоксилируется с образованием пирувата, возвращаемого в клетки мезофилла.
С4 фотосинтез практические не сопровождается потерями рибулозо-1,5-бифосфата из цикла Кальвина, поэтому более эффективен. Однако он требует не 18, а 30 АТФ на синтез 1 молекулы глюкозы. Это оправдывает себя в тропиках, где жаркий климат требует держать устьица закрытыми, что препятствует поступлению CO2 в лист, а также при рудеральной жизненной стратегии.
САМ фотосинтез
При CAM (англ. Crassulaceae acid metabolism - кислотный метаболизм толстянковых) фотосинтезе происходит разделение ассимиляции CO2 и цикла Кальвина не в пространстве как у С4, а во времени. Ночью в вакуолях клеток по аналогичному вышеописанному механизму при открытых устьицах накапливается малат, днём при закрытых устьицах идёт цикл Кальвина. Этот механизм позволяет максимально экономить воду, однако уступает в эффективности и С4, и С3. Он оправдан при стресстолерантной жизненной стратегии.
Вопрос 2
Биосинтез РНК.
Информация, заложенная в геноме (т.е. молекуле ДНК), не передается прямо к системе синтеза белка. Вначале она должна быть перенесена на РНК, и этот процесс называется транскрипцией (переписыванием).
Копируемая часть молекулы ДНК называется транскриптоном. Он содержит, как правило, информативную и неинформативную зоны, соотношение которых значительно варьирует. Транскрибирование информативной зоны приводит к образованию той части новообразуемой РНК, которая впоследствии дает начало белку с определенной функциональной активностью. Неинформативная часть РНК выполняет регуляторную функцию и в процессе созревания нуклеиновой кислоты разрушается.
Транскрипция происходит также в три стадии: инициации, элонгации и терминации.
Полимеризация РНК обычно начинается с пуринового нуклеотида. Поскольку РНК обычно транскрибируется только с одной из цепей ДНК-матрицы, то для осуществления этого процесса цепи ДНК должны быть локально расплетены в данном участке. Участок матрицы, ассоциированной с ферментом, составляет около 60 нуклеотидов. Однако область локального расплетения цепей составляет обычно от 12 до 17 нуклеотидных пар. По мере продвижения РНК-полимеразы по матрице двухцепочечная структура ДНК восстанавливается, а РНК вытесняется в виде свободной полинуклеотидной цепи. Скорость реакции при 37оС составляет около 40 присоединенных нуклеотидов в секунду. Одну и ту же кодирующую последовательность могут одновременно считывать несколько молекул РНК-полимеразы.
Достигнув терминатора (последовательности ДНК, необходимой для остановки транскрипции) фермент перестает включать нуклеотиды в растущую цепь РНК, освобождает образовавшийся продукт и отделяется от ДНК-матрицы. После этого структура ДНК восстанавливается. На некоторых терминаторах под действием специфических регуляторных белков, взаимодействующих с РНК-полимеразой, терминационные события могут быть предотвращены, в результате чего фермент продолжает синтезировать РНК за пределами терминатора.
Образование стабильных РНК.
Все РНК синтезируются в виде первичных предшественников, из которых должны выделиться зрелые рРНК, тРНК и иРНК. Процесс формирования зрелых молекул РНК носит название процессинга. Они осуществляются специфическими рибонуклеазами. Однако ряд реакций является автокаталитическим и обусловлен внутренним свойством самих РНК.
Посттранскрипционный процессинг происходит либо в ядре, либо в цитоплазме и может включать:
- сплайсинг («точная стыковка»), т.е. удаление части нуклеотидов путем гидролиза, который характерен для некоторых иРНК эукариот и тРНК. При этом экспериментально доказана возможность альтернативного сплайсинга (когда в зависимости от условий внутри клетки удаляются разные по величине последовательности нуклеотидов). Следует отметить, что даже после такой модификации иРНК часто имеют в 2-3 раза большую длину, чем требуется для трансляции соответствующего полипептида. Возможно, что избыточные участки информации принимают участие в процессинге, транспорте, деградации и трансляции иРНК;
- расщепление полицистронных иРНК на иРНК, соответствующие индивидуальным генам (и, соответственно, отдельным полипептидным цепям);
- присоединение нуклеотидов к концевым группам: 7-метил-ГТФ (кэпа) к 5'-концу и poly(A)-"хвоста" к 3'-концу;
- химическую модификацию, напр., метилирование или тиолирование оснований, главным образом, у тРНК
Распад НК осуществляется много проще. Дезоксирибонуклеазы специфичны к молекулам ДНК, а рибонуклеазы – к молекула РНК. При этом экзонуклеазы расщепляют НК только с одного конца. Напр., фосфодиэстераза селезенки освобождает 3'-фосфаты нуклеозидов (действует на б-связи). Эндонуклеазы расщепляют а- или б-связи в любом месте НК.
Билет 13.