Фотосинтез С3- и С4-растений: механизмы и регуляция
Э18 Эдвардс Дж., Уокер Д.
Фотосинтез С3- и С4-растений: механизмы и регуляция:
Пер. с англ,
- М.: Мир, 1986. - 590 с., ил. ББK 28.07, УДК 581.132 (Джерри Эдвардс, Дэвид Уокер)
В книге американского и английского авторов - известных специалистов в
области физиологии и биохимии растений - рассмотрены механизмы фотосинтетической
ассимиляции углерода, организации фотохимического аппарата хлоропласта,
а также факторы, определяющие первичную продуктивность растения;
имеется приложение с описанием применяемых при изучении фотосинтеза
методов.
|
|
ОГЛАВЛЕНИЕ | |
Предисловие редактора перевода | 5 |
Предисловие | 7 |
ЧАСТЬ А | |
Глава 1. Введение | |
1.1. Что такое фотосинтез | 9 |
1.2. Разрыв химических связей | 9 |
1.3. Окисление и восстановление | 10 |
1.4. Фотосинтез как окислительно-восстановительный процесс | 12 |
1.5. Как заводится главная биологическая пружина | 12 |
1.6. Фотосинтез как источник органического углерода | 13 |
1.7. Некоторые аналогии и заключение | 15 |
Глава 2. Энергия и законы физики и химии | |
2.1. Законы термодинамики | 19 |
2.2. Что такое система | 20 |
2.3. Энтропия (S) | 20 |
2.4. Свободная энергия | 21 |
2.5. Свободная энергия и равновесие | 22 |
2.6. Единицы энергии | 24 |
2.7. Энергия образования углеводов | 25 |
2.8. Энергия связи | 25 |
2.9. Расщепление воды | 26 |
2.10. Резонанс | 27 |
2.11. Свободная энергия гидролиза аденозинтрифосфата (АТР) | 29 |
2.12. АТР как компонент ассимиляционной силы | 31 |
2.13. Окислительно-восстановительный потенциал | 32 |
Глава 3. Энергия и свет | |
3.1. С чего все начинается | 34 |
3.2. Свет — это волна | 35 |
3.3. Свет — это поток частиц | 36 |
3.4. Кванты | 36 |
3.5. Энергия света | 36 |
3.6. Интенсивность света | 38 |
3.7. Солнечный свет и свеча | 39 |
3.8. 'Зеленый человек' | 42 |
3.9. Квантовая эффективность | 42 |
3.10. Эффективность фотосинтеза на молекулярном уровне | 44 |
3.11. Максимальная эффективность фотосинтеза на уровне растения в целом | 45 |
3.12. Максимальная эффективность | 45 |
Глава 4. Фотохимический аппарат и его функции | |
Фотохимический аппарат | 47 |
4.1. Структура хлоропласта | 47 |
4.2. Тилакоидный компартмент | 49 |
4.3. Стромальный компартмент | 49 |
4.4. Структура мембран | 49 |
4.5. Хлорофиллы | 51 |
4.6. Синтез хлорофилла | 53 |
4.7. Дополнительные пигменты | 54 |
4.8. Курица или яйцо | 54 |
4.9. Компоненты электрон-транспортной цепи | 55 |
4.10. Фотосинтетическая единица | 61 |
4.11. Пигментные системы | 63 |
4.12. Реакционные центры | 65 |
4.13. Фотосистемы (ФС I и ФС II) | 65 |
4.14. Поглощение света атомами | 67 |
4.15. Поглощение света молекулами | 68 |
4.16. Переход хлорофилла в возбужденное состояние | 68 |
4.17. Снятие возбуждения | 70 |
4.18. Фотохимические реакции и выделение | 70 |
4.19. Перенос энергии в пигментных системах | 73 |
4.20. Спектр действия | 74 |
4.21. Красный спад | 77 |
4.22. Эффект усиления | 77 |
4.23. Z-Схема | 78 |
4.24. Отношение Р/e2 | 81 |
4.25. Запасание энергии в Z-схеме | 82 |
4.26. Квантовый расход для Z-схемы | 83 |
Глава 5. Образование АТР; генерация ассимиляционной силы | |
Краткое содержание | 84 |
5.1. Окислительное фосфорилирование | 85 |
5.2. Зачем нужна ассимиляционная сила | 86 |
5.3. Циклическое фотофосфорилирование | 89 |
5.4. Циклическое фотофосфорилирование, катализируемое ферредоксином | 91 |
5.5. Циклическое фотофосфорилирование in vivo | 92 |
5.6. Псевдоциклическое фотофосфорилирование | 92 |
5.7. Нециклическое фотофосфорилирование | 93 |
5.8. Реакция Мелера | 95 |
5.9. Хемоосмос и установление электрохимической разности потенциалов, или протондвижущей силы | 96 |
5.10. Механизм образования АТР | 101 |
5.11. Сопряжение, разобщение и фотосинтетический контроль | 104 |
5.12. Сопрягающий фактор | 105 |
5.13. Термодинамика синтеза АТР | 106 |
5.14. Связь между транспортом протонов, транспортом электронов и энергией | 107 |
5.15. Восстановление никотинамидадениндинуклеотидфосфата (NADP) | 109 |
Общая литература | 111 |
Специальная литература | 112 |
ЧАСТЬ Б | |
Глава 6. Восстановительный пентозофосфатный цикл и связанные с ним реакции | |
Краткое содержание | 113 |
6.1. Фотосинтетическая фиксация углерода | 115 |
6.2. Регенерация | 115 |
6.3. Автокатализ | 115 |
6.4. Энергетика | 116 |
6.5. Сродство к СO2 | 119 |
6.6. Основные характеристики карбоксилирования | 122 |
6.7. Изучение восстановительного пентозофосфатного цикла | 122 |
6.8. Кинетические исследования | 125 |
6.9. Изменения в содержании ФГК и РуБФ | 126 |
6.10. Включение метки в молекулы | 127 |
6.11. Ферменты | 128 |
6.12. Свободные энергии | 142 |
6.13. Функционирование ВПФ-цикла | 145 |
6.14. Использование ассимиляционной энергии | 146 |
6.15. Повторное включение в цикл | 147 |
6.16. Связь между ВПФ-циклом и фотодыхательным циклом окисления углерода | 147 |
6.17. Участие углерода в ВПФ-цикле и в фотодыхательном цикле | 152 |
6.18. Синтез крахмала | 152 |
6.19. Деградация крахмала | 156 |
6.20. Регуляция синтеза и деградации крахмала | 158 |
6.21. Синтез сахарозы | 158 |
6.22. На пути ассимиляции углерода | 159 |
Общая литература | 163 |
Специальная литература | 164 |
Глава 7. Индукция | |
Краткое содержание | 166 |
7.1. Индукция в целых растениях и листьях | 167 |
7.2. Исторические аспекты | 169 |
7.3. Роль устьиц | 170 |
7.4. Отсутствие индукции в фотохимических процессах | 173 |
7.5. Индукция in vitro | 177 |
7.6. Молекулярные механизмы индукции | 178 |
7.7. Вклад автокатализа | 180 |
7.8. Активация ферментов под действием света | 186 |
7.9. Влияние интенсивности света и температуры | 188 |
7.10. Индукция и ортофосфат | 189 |
7.11. Снятие подавления, вызванного ортофосфатом, промежуточными продуктами ВПФ-цикла | 191 |
7.12. Природа подавления под действием ортофосфата | 193 |
7.13. Индукция в выделении кислорода и роль ФГК | 195 |
7.14. Индукционные явления в фиксации CO2 | 201 |
7.15. Индукция в реконструированной системе хлоропластов | 205 |
7.16. Последовательность событий во время индукции | 208 |
7.17. Восстановление лаг-фазы | 210 |
Общая литература | 211 |
Специальная литература | 211 |
Глава 8. Пластиды и внутриклеточный транспорт | |
Краткое содержание | 214 |
8.1. Хлоропласт как транспортирующая органелла | 214 |
8.2. Экспериментальная основа исследований транспорта — фракционирование целых тканей | 216 |
8.3. Экспериментальная основа исследований транспорта in vitro | 221 |
8.4. Хроматографический анализ | 222 |
8.5. Фильтрация центрифугированием | 222 |
8.6. Косвенные методы изучения транспорта метаболитов | 225 |
8.7. Сокращение индукционного периода и снятие ингибирующего действия ортофосфата | 225 |
8.8. Добавление ингибиторов | 227 |
8.9. Катализ интактными и разрушенными хлоропластами | 228 |
8.10. Осмотические изменения объема | 229 |
8.11. Транспорт метаболитов | 230 |
8.12. Двуокись углерода | 231 |
8.13. Триозофосфаты и 3-фосфоглицерат (ФГК) | 234 |
8.14. Ортофосфат и неорганический пирофосфат | 234 |
8.15. Пентозомонофосфаты и гексозомонофосфаты | 239 |
8.16. Бисфосфаты сахаров | 240 |
8.17. Свободные сахара | 240 |
8.18. Карбоновые кислоты | 242 |
8.19. Аминокислоты | 243 |
8.20. АТР и NADP | 243 |
8.21. Транспорт ионов | 245 |
8.22. Специфическая проницаемость внутренней мембраны | 247 |
8.23. Переносчик ортофосфата | 247 |
8.24. Переносчик дикарбоновых кислот | 253 |
8.25. Переносчик аденилатов | 254 |
8.26. Челночные механизмы | 255 |
Общая литература | 256 |
Специальная литература | 257 |
Глава 9. Регуляция фотосинтетической ассимиляции углерода | |
Краткое содержание | 261 |
9.1. Основные принципы | 261 |
9.2. Регуляция катализа | 262 |
9.3. Активация катализаторов | 263 |
9.4. Различие между регуляцией катализа и активацией катализаторов | 269 |
9.5. Темновая инактивация | 270 |
9.6. Действие масс | 273 |
9.7. Регуляция транспортом | 278 |
9.8. Значение регуляции | 285 |
9.9. Роль адениновых нуклеотидов в регуляции | 286 |
Общая литература | 289 |
Специальная литература | 290 |
Глава 10. Открытие С4-пути | |
Краткое содержание | 293 |
10.1. С4-дикарбоновые кислоты — ранние продукты фотосинтеза | 293 |
10.2. Вклад Хэтча и Слэка в проблему С4-фотосинтеза | 296 |
10.3. Метаболизм С4-дикарбоновых кислот | 301 |
10.4. Анатомия фотосинтезирующей ткани у С4-растений | 304 |
10.5. Выделение хлоропластов, протопластов и клеток из С4-растений | 310 |
10.6. Современная упрощенная схема С4-фотосинтеза | 313 |
10.7. Какие растения можно считать С4-растениями | 314 |
Общая литература | 317 |
Специальная литература | 317 |
Глава 11. Три подгруппы С4-растений: их биохимия, фотохимия и систематика | |
Краткое содержание | 320 |
11.1. Стадия карбоксилирования в С4-пути | 321 |
11.2. Стадия декарбоксилирования в С4-пути | 323 |
11.3. Краткое изложение основных предполагаемых путей переноса углерода с участием трех декарбоксилирующих механизмов | 325 |
11.4. Сбалансированность зарядов при межклеточном транспорте метаболитов в ходе С4-цикла | 326 |
11.5. Межклеточная локализация ВПФ-цикла у С4-растений | 328 |
11.6. Фотохимические затраты при С4-фотосинтезе | 328 |
11.7. Фотохимические различия хлоропластов разных типов | 333 |
11.8. Систематика | 343 |
11.9. Растения с промежуточными (C3/С4) характеристиками | 347 |
Специальная литература | 349 |
Глава 12. Интеграция функций при C4-фотосинтезе | |
Краткое содержание | 351 |
12.1. Внутриклеточная локализация ферментов С4-цикла в клетках мезофилла | 351 |
12.2. Локализация ферментов и внутриклеточный транспорт метаболитов С4-цикла в клетках обкладки проводящих пучков | 357 |
12.3. Доказательства фотосинтетической деятельности клеток мезофилла | 362 |
12.4. Доказательства фотосинтетической деятельности клеток обкладки проводящих пучков | 367 |
12.5. Механизмы внутриклеточного транспорта метаболитов | 371 |
12.6. Механизм межклеточного транспорта метаболитов | 376 |
12.7. С4-метаболизм, сопряженный с циклическим, псевдоциклическим и нециклическим фотофосфорилированием | 379 |
12.8. Регуляция ферментов С4-цикла | 381 |
12.9. Ассимиляция азота: сравнение С4- и С3-растений | 387 |
12.10. Синтез крахмала и сахарозы у С4-растений | 393 |
Специальная литература | 395 |
Глава 13. Фотодыхание | |
Краткое содержание | 399 |
13.1. Введение | 400 |
13.2. Распознавание фотодыхания | 401 |
13.3. Происхождение гликолата | 405 |
13.4. Гликолатный путь у С3-растений | 407 |
13.5. Упрощенная схема пути углерода в гликолатном цикле | 408 |
13.6. Реакции гликолатного пути и энергетические затраты | 409 |
13.7. Внутриклеточная локализация ферментов гликолатного пути | 415 |
13.8. Метаболизм в изолированных органеллах и его связь с гликолатным путем | 420 |
13.9. Гликолатный путь у С4-растений | 422 |
13.10. Ингибироваиие фотосинтеза кислородом и две его составляющие | 424 |
13.11. Доля ингибирования фотосинтеза кислородом | 434 |
13.12. Влияние кислорода на квантовый выход | 434 |
13.13. Предполагаемая роль фотодыхания | 438 |
13.14. Стимуляция роста С3-растений в средах с пониженным содержанием О2 или обогащенных СО2 | 440 |
Общая литература | 443 |
Специальная литература | 443 |
Глава 14. Первичные карбоксилазы и регуляция фотосинтеза и транспирации факторами внешней среды | |
Краткое содержание | 447 |
14.1. Введение | 449 |
14.2. Состав атмосферы и растворимость газов | 449 |
14.3. С3-Растения: РуБФ-карбоксилаза | 454 |
14.4. С4-Растения: ФЕП- и РуБФ-карбоксилазы | 463 |
14.5. Влияние температуры, света и водного дефицита на карбоксилирование | 468 |
14.6. Эффективность использования воды | 474 |
14.7. С3-, С4-фотосинтез и урожайность сельскохозяйственных культур | 481 |
Общая литература | 482 |
Специальная литература | 483 |
Глава 15. Метаболизм кислот у семейства толстянковых (САМ-метаболизм) | |
Краткое содержание | 486 |
15.1. Введение | 487 |
15.2. Открытие САМ-метаболизма | 490 |
15.3. Реакция Вуда и Веркмана | 494 |
15.4. Путь углерода у САМ-растений | 495 |
15.5. Двуокись углерода как метаболит темновых реакций | 497 |
15.6. Обратная пропорциональность между количеством субстрата и количеством продукта | 498 |
15.7. Ферменты, участвующие в накоплении органических кислот и в их последующем использовании | 498 |
15.8. Гипотеза двойного карбоксилирования | 501 |
15.9. Накопление органических кислот на свету | 502 |
15.10. Энергетические затраты при САМ-метаболизме | 503 |
15.11. Переключение обмена веществ от САМ-метаболизма на С3-фотосинтез | 508 |
15.12. Фракционирование изотопов углерода у САМ-, С3- и С4-растений | 509 |
15.13. Связь САМ-метаболизма с С4-циклом | 515 |
15.14. Экологическое значение САМ-метаболизма | 516 |
Общая литература | 519 |
Специальная литература | 520 |
Глава 16. Сравнительное изучение С3- и С4-метаболизма в других тканях (помимо листа) | |
Краткое содержание | 524 |
16.1. Устьица | 525 |
16.2. С3- и С4-фотосиитез в тканях репродуктивных органов | 529 |
16.3. Зеленеющие листья | 534 |
16.4. Корни | 534 |
16.5. Ионный баланс и поддержание постоянного рН | 536 |
16.6. Метаболизм малата в глиоксилатном цикле проростков | 538 |
Специальная литература | 540 |
Приложение А. Выделение хлоропластов и критерии их интактности | |
А.1. Введение | 543 |
А.2. Методы | 545 |
А.З. Выращивание растений | 545 |
А.4. Приемы механического разрушения | 549 |
А.5. Получение хлоропластов из протопластов | 550 |
А.6. Достоинства и недостатки методов механического и ферментативного разрушения клеток | 555 |
А.7. Критерии, по которым определяют степень интактности хлоропластов | 557 |
А.8. Очистка | 560 |
Литература | 561 |
Приложение Б. Номенклатура ферментов | |
Б.1. Восстановительный пентозофосфатный путь | 563 |
Б.2. Гликолатный путь | 564 |
Б.З. Образование сахарозы из триозофосфатов | 566 |
Б.4. Синтез крахмала из триозофосфатов | 567 |
Б.5. С4-путь | 568 |
Б.6. Метаболизм кислот у толстянковых | 570 |
Б.7. Обмен нитратов | 573 |
Список сокращений | 574 |
Указатель латинских названий | 576 |
Предметный указатель | 579 |