Inspiriert durch eine Frage, die mir ein Klassenkamerad gestellt hat, habe ich folgende Frage zu lichtunabhängigen (Dunkelphasen-) Reaktionen bei der Photosynthese:-
Nehmen wir an, eine Algenprobe wurde längere Zeit Licht ausgesetzt, so dass die maximale (falls es eine Grenze gibt) NADPH-Konzentration erreicht wird. Wenn nun die Probe ins Dunkle gestellt wird und radioaktives ¹⁴CO₂ gesprudelt wird, wird die Zelle dann radioaktiv markiert, nachdem sie einige Zeit kontinuierlich gesprudelt wurde?
Ich denke, die Antwort hängt von der aktiven Lebensdauer von ATP und NADPH ab, den Produkten der Lichtreaktion. Wenn sie ziemlich stabil sind, so dass sie in ausreichender Konzentration für die Ausführung des Calvin-Zyklus vorliegen, obwohl ihre Produktion (abgesehen von der respiratorischen ATP-Produktion) aufgrund von Lichtmangel aufgehört hat. Wenn dies der Fall ist, führen das während der anfänglichen Expositionsdauer produzierte ATP und NADPH eine Kohlenstofffixierung mit radioaktivem Kohlenstoff durch und daher können radioaktiv markierte Zucker aus der Probe gewonnen werden. Wenn nicht, werden sie schnell degenerieren (durch Hydrolyse, Verwertung oder ähnliches) und sie werden nach einer festgelegten Zeit nach dem Stoppen des Lichts nicht in der Lage sein, eine Fixierung durchzuführen .
Wie lange sollte unter normalen Bedingungen die Zeit sein, nach der die Lichtreaktionsprodukte nicht mehr in der Lage sind, CO₂ durch den Calvin-Zyklus zu fixieren? Und hängt letztendlich das Vorhandensein von Radioaktivität in Zuckern für das obige Szenario von der Pflanzenart ab?
[Ich ignoriere jegliche Radioaktivität aufgrund der Auflösung von ¹⁴CO₂ im Zytoplasma]
Es stellt sich heraus, dass die sogenannten lichtunabhängigen Reaktionen überhaupt nicht lichtunabhängig sind: Es gibt mehrere Regulationsmechanismen, die das Drehen des Calvin-Zyklus verhindern, wenn keine Lichtenergie zur Produktion von ATP/NADPH verfügbar ist. Die hypothetische Situation, die Sie in Ihrer Frage beschrieben haben, zeigt die Notwendigkeit einer solchen Regulierung. Die Zelle kann nicht zulassen, dass die ATP- und NADPH-Spiegel zu weit abfallen, da diese beiden Faktoren für alles erforderlich sind. Wenn Sie also den Calvin-Zyklus laufen lassen, wenn es keine Möglichkeit gibt, ihn (letztendlich) aus Lichtenergie zu tanken, dann läuft der Calvin-Zyklus, bis ATP/NADPH zu niedrig ist, um es weiter aufrechtzuerhalten, an welchem Punkt die Zelle stirbt. So werden mehrere Schlüsselenzyme im Calvin-Zyklus indirekt durch Licht aktiviert.
Einer der am besten untersuchten Regulationsmechanismen ist das Ferrodoxin/Thioredoxin-Regulationssystem. Das Enzym Ferredoxin-Thioredoxin-Reduktase nimmt Elektronen von Ferredoxin (das durch Lichtenergie über die Photosysteme reduziert wird) und überträgt sie auf Thioredoxin, ein Redoxprotein auf Disulfidbasis. Dann reduziert Thioredoxin mehrere Schlüsselenzyme im Calvin-Zyklus, der sie aktiviert (durch Konformationsänderungen, die durch Disulfidbindungen induziert werden). Das Ergebnis ist, dass die metabolischen Enzyme des Calvin-Zyklus arbeiten können, wenn Licht in der Nähe ist, um die Reduktion zu erleichtern, aber im Dunkeln oxidiert die Zelle und diese Enzyme werden ausgeschaltet, wodurch der Calvin-Zyklus ausgeschaltet und CO gestoppt wird Fixierung.
Eine orthogonale Richtung der Lichtregulierung der "lichtunabhängigen" Reaktionen ist die RuBisCO-Aktivase , die erforderlich ist, um das aktive Zentrum von RuBisCO zu modifizieren, damit es aktiv ist. Dies erfordert eine ATP-Hydrolyse, die die Empfindlichkeit des Calvin-Zyklus gegenüber der ATP-Verfügbarkeit verstärkt.
Das Mitnehmen ist, dass die lichtunabhängigen Reaktionen möglicherweise nicht direkt Licht als Input benötigen, aber sie werden durch die Lichtverfügbarkeit reguliert. Ich habe versucht nachzuschlagen, wie viel Zeit im Dunkeln erforderlich wäre, um das Redox-Gleichgewicht so zu verschieben, dass die Enzyme des Calvin-Zyklus inaktiviert würden, aber ich konnte diese Daten nicht finden. Die Leute in der Literatur scheinen jedoch zu glauben, dass es schnell gehen würde (1) .
Bei Wikipedia gibt es dazu eine Beschreibung . Wenn Sie weiter schauen wollen, hat Bob Buchanan in Berkeley viele wegweisende Fortschritte auf diesem Gebiet gemacht; Eine Rezension von ihm, die Sie sich vielleicht ansehen möchten, ist (2) .
(1): Ruelland E, Miginiac-Maslow M. (1999). Trends in der Pflanzenwissenschaft . 4(4): 136-141
(2): Buchanan BB. (1980). Jährliche Überprüfung der Pflanzenphysiologie . 31:341-374.
stochastisch13
Biomädchen