核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶问题的提出核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)在自然界中广泛公布,在大多数真核生物如植物和原核生物中均有报道。该酶有双重功能,是光合作用碳反应中重要的羧化酶,也是光呼吸中不可缺少的加氧酶。核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Ribulose-1,5-bisphosphatecarboxylase/oxygenase,通常简写为Rubisco)是光合作用中决定碳同化速率的关键酶。

问题:Rubisco的生理作用、特性和研究意义?

Rubisco的生理作用

的形态Rubisco是叶绿体基质中催化CO2与RuBP,即核酮糖-1,5-二磷糖结合生成2分子3-磷酸甘油酸,进而发生一系列反应,将ATP中的化学能转化到葡萄糖中。它在光合作用中卡尔文循环里催化第一个主要的碳固定反应。也是光合作用过程中二氧化碳固定的第一个限速反应。另外,核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶可以催化核酮糖-1,5-二磷酸与二氧化碳的羧化反应或与氧气的氧化反应。同时,Rubisco也能使核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)进入光呼吸途径(如图)。据图可知,该酶是双功能酶,在CO2浓度高的环境中,使RuBP进行羧化反应,起羧化酶的作用,形成磷酸甘油酸;在O2浓度高的环境中,使RuBP进行氧化反应,起加氧酶的作用,形成磷酸乙醇酸(一种二碳化合物)和磷酸甘油酸(三碳酸)。这种二碳化合物进入线粒体被氧化为二氧化碳,即光呼吸(如图)。

Rubisco的特性

1.基因的表达和蛋白质的组装Rubisco是唯一发现有核基因组和叶绿体基因组共同控制高等植物Rubisco由8个大亚基和8个小亚基组成,大亚基为叶绿体基因组编码,合成的前体经过加工,在间质中与小亚基组装成全酶。小亚基为细胞核基因组编码,合成的前体通过叶绿体包膜上ATP依赖的运输器进入叶绿体,并在组装成全酶之前被蛋白酶加工除去氨基末端约50个氨基酸残基的转运肽,然后,在叶绿体监护蛋白的帮助下,与大亚基装配成全酶。3.特性Rubisco的活性受光照影响,在暗处,Rubisco的活性受到抑制,这也是为什么在黑暗时,碳反应难以进行的原因。核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶是植物叶片中含量最丰富的蛋白质,也可能是地球上含量最多的蛋白质。假如典型的酶分子1秒钟可催化个底物分子,但Rubisco每秒钟仅固定3分子CO2。植物细胞为弥补低效的缺陷而产生大量的Rubisco。此酶约占总叶绿体内蛋白的50%,是植物中重要的贮藏蛋白。3.研究意义在生物学上有重要的意义,因为它所催化的反应是无机态的碳进入生物圈的主要途径。鉴于它对生物圈的重要性,人们正在努力改进自然界中的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶的功能。有人提出,在农业上抑制光呼吸能促进植物生长。科学家在基因工程方面做出多种尝试,试求降低植物的光呼吸,促进植物成长,为世界粮食问题提供一种解决方案。但是后来科学家发现,光呼吸可消除多余的NADPH和ATP,减少细胞受损的可能,有其正面意义。又因为光呼吸与大气中氧气/二氧化碳比例联系非常紧密,科学家甚至认为可以通过控制陆地植物的数量,以控制地球大气氧气和二氧化碳的成分比。

典型试题解析

试题:核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)在植物光合过程中能催化二氧化碳的固定过程。高等植物的Rubisco是由8个大亚基(LSU)和8个小亚基(SSU)所构成的,其催化活性要依靠大、小亚基的共同存在才能实现。其合成和组装过程如图,据图回答:(1)①过程需要细胞质为其提供等物质。(2)图中的过程中,涉及到A和U互补配对的过程有。(3)用溴化乙啶、氯霉素分别抑制图中过程④、⑤,发现叶绿体中RNA聚合酶均保持很高活性,由此可推测该RNA聚合酶由中的基因指导合成。(4)如果用放线菌素D抑制①过程,植物的光合作用过程会被。(5)③过程中,一个mRNA上可同时连接多个核糖体,其意义是。答案:(1)酶、ATP和核糖核苷酸(2)①③④⑤(3)细胞核(4)抑制(5)提高翻译的效率解析:(1)①为转录过程,该过程需要细胞质为其提供酶(RNA聚合酶)、ATP和原料(核糖核苷酸)等物质。(2)图中①④表示转录过程,该过程中的碱基配对方式为A-U、G-C、G-C、T-A;③⑤表示翻译过程,该过程中的碱基配对方式为:A-U、G-C、G-C、U-A,因此图中的过程中,涉及到A和U互补配对的过程有①③④⑤。(3)用溴化乙啶、氯霉素分别抑制图中过程④、⑤,发现叶绿体中RNA聚合酶均保持很高活性,由此可推测该RNA聚合酶由细胞核中的基因指导合成。(4)如果用放线菌素D抑制①过程,则会导致SSU无法合成,进而导致Rubisco酶无法合成,最终抑制植物的光合作用。(5)③过程中,一个mRNA上可同时连接多个核糖体,这样可以提高翻译的效率。

相关内容链接

在解答光合作用和呼吸作用试题时,谨防“偷换概念”情况的出现

如何利用植物同化物运输和分配—源库理论提高光合作用产量?

如何开展光合作用和细胞呼吸专题复习?

光合作用研究获诺贝尔奖情况

植物中“特殊”的光合作用-CAM途径

从两道有关卡尔文循环发现的试题来看,卡尔文循环是如何发现的?

卡尔文循环的三阶段深度解析-RuBP的再生也会消耗ATP

有些图片来自于网络(侵删)

高中生物教材研究

提高学科核心素养

▲请猛戳它

喜欢就点个“赞”和“在看”呗~?

王甫荣



转载请注明地址:http://www.wuhuanzia.com/whzgnzz/7790.html