چرخه جذب نور و انرژی در گیاهان

واكنش هاي تاريكي
در اين بخش به اين موضوع مي پردازيم كه مولكول هاي پرانرژي چگونه براي توليد تركيبات قندي يا كربوهيدرات ها مورد استفادة ‌گياه قرار مي گيرند.
الف- چرخة كلوين: در سالهاي بين ۱۹۴۶ تا ۱۹۵۳ سه تن از دانشمندان به نامهاي ملوين كلوين، جيمز بشام و آندروبنسون راه متابوليكي تبديل گازكربنيك به قند را در گياهان كشف كردند. آنها اين كار را از طريق پيگيري از بين رفتن گازكربنيك راديواكتيو نشان دار در كشت هاي سلول هاي جلبك انجام داده اند. آزمايشهاي اولية كلوين نشان داد جلبك هايي كه به مدتي كه دقيقه و يا بيشتر در معرض گازكربنيك نشان دار قرار گرفته بودند، تركيب پيچيده اي از متابوليت هاي نشان دار، شامل قندها و اسيدهاي آمينه توليد كردند. با وجود اين ، تجزية جلبكي كه ۵ ثانيه در معرض گازكربنيك نشان دار قرار گفته بود نشان داد كه اولين تركيب پايدار راديواكتيو فعال كه در جلبك تشكيل گرديد ۳- فسفوگليسرات يا PG3 بوده است كه در

ابتدا فقط از طرف گروه كربوكسيل (-COOH) نشان دار شده است. اين نتايج بلافاصله اين پيشنهاد را مطرح مي سازد كه PG3 توسط كربوكسيلاسيون يك تركيب دوكربنه به دست آمده است. چنين مادة‌ پيش ساختي تاكنون كشف نشده است. چنانچه واكنش كربوكسيلاسيوني واقعاً اتفاق بيفتد فقط روي يك قند ۵ كربنه به نام ريبولوز –۵- فسفات يا RU5P انجام مي گيرد.
در نتيجة كربوكسيلاسيون قتند ۵ كربنة ريبولوز –۵- فسفات، يك قند ۶ كربنه به دست مي آيد كه به دو تركيب سه كربنه تجزيه مي گردد و هر كدام از اين تركيبات سه كربنه به يك ملكول PG3 تبديل مي گردند. راه كلي اين تغيير و تبديل را كه در شكل شمارة ۲۱۹ نشان داده شده است، چرخة كلوين و يا جرخة احسايي پنتوز فسفات مي نامند. اين راه شامل كربوكسيلاسيونيك پنتوز، تشكيل تركيبات قندي و بازيافت ريبولوز –۵- فسفات يا Ru5P مي باشد.

در جريان جستجوي يافتن كربوكسيلاسيون مادة مور اثر، تركيبات حد واسط نشان دار فراوان ديگري كشف گرديدند. به عنوان مثال در مراحل اولية راه،‌‏ فقط كربن هاي شماره ۳ و ۴ در قند ۶ كربنة فروكتوز –۱، ۶- بيس فسفات يا FBP نشان دار هستند، ولي در مراحل بعدي تعداد كمتري از كربن هاي اين قند نشان دار شده و شمارة ‌اين كربن ها كمتر از تركيبات قند در مراحل اولية ‌راه است . مشاهدة جريان حركت كربن نشان دار در انواع مختلف قندهاي سه، پنج، شش و هفت كربنه ساختمان اصلي راه متابوليكي پيشندي كلوين را مشخص مي كند كه به طور كامل در شكل شمارة ۲۱۹ آمده است. واقعيت بسياري از واكنش هايي كه قبلاً به صورت پيش بيني بيان شده بود در مطالعات بعدي آزمايشگاهي با استفاده از آنزيم هاي مختلف به تأييد رسيده است.

۱-چرخة‌ كلوين در يك فرايند دو مرحله اي از گاز كربنيك GAP توليد مي كند- چرخة كلوين را مي توان به دو مرحله تقسيم كرد:
مرحلة اول- مرحلة‌ توليد (قسمت بالايي شكل شمارة‌۲۱۹) كه در آن سه مولكول ريبولوز –۵- فسفات يا Ru5p با سه مولكول گازكربنيك براي توليد ۶ مولكول گليسرآلدئيد –۳- فسفات يا GAP وارد واكنش مي شوند. در اين واكنش هاي بيوشيميايي ۹ مولكول ATP و ۶ مولكول NADPH مورد استفاده قرار مي گيرد. طبيعت چرخه اي اين راه متابوليكي باعث مي شود كه اين فرايند بتواند به ازاي هر سه مولكول گازكربنيك مصرفي، معادل يك ملكول گليسرآلدئيد –۳- فسفات يا GAP توليد نمايد. در اين نقطه از راه متابوليكي يك مولكول GAP مي تواند از چرخه خارج شده و در راههاي ديگر متابوليكي مورد استفاده سلول قرار گيرد.

مرحلة دوم: مرحلة بازيافت ( قسمت پاييني شكل شمارة ۲۱۹) كه در آن اتم هاي كربن ۵ مولكول گليسرآلدئيد –۳- فسفات يا GAP باقيمانده ، شبه راه پنتوز فسفات، دريك سري از واكنش هاي بيوشيميايي شركت مي كند تا اينكه در نهايت براي شروع مجدد چرخة، سه مولكول ريبولوز –۵- فسفات توليد نمايند. اين مرحله را مي توان به چهار سري واكنش به صورت زير تقسيم كرد. شماره واكنش ها با شمارة آنها در شكل شمارة‌۲۱۹ مطابقت دارد:
به طور كلي مي توان چرخة‌ كلوين را در معادلة سادة ذيل خلاصه كرد:

بايد به اين نكته توجه كرد كه مرحلة‌دوم چرخة كلوين بدون استفاده از مولكول هاي پرانرژي ATP و NADPH انجام مي گيرد.
اولين واكنش چرخة كلوين فسفوريلاسيون ريبولوز –۵- فسفات يا RU5P به كمك آنزيم فسفوريبولوكيناز است كه در اين واكنش ريبولوز-۵‌، ۵- بيس فسفات يا RuBP توليد مي گردد. بعد از كربوكسيلاسيون، مولكول RuBP مولكول ۳- فسفوگليسرات به دست آمده ابتدا به مولكول ۱،۳- بيس فسفوگليسرات يا BPG تبديل شده و سپس به GAP تبديل مي شود.

مرحلة دوم چرخة‌ كلوين با واكنش ايزومريزاسيون مولكول گليسرآلدئيد –۳- فسفات به دي هيدروكسي استون فسفات يا DHAP توسط آنزيم تريوز فسفات ايزومراز آغاز مي شود كه اين واكنش برعكس واكنش معروف شمارة ۵،‌ راه گليكوليز است. بعد از اين واكنش،‌ دي هيدروكسي استون فسفات مي تواند در مسير دو راه يكسان وارد واكنش هاي بيوشيميايي بعدي شود: واكنش ها شمارة ‌۶ تا ۸ و يا واكنش هاي شمارة ۹ تا ۱۱، واكنش هاي شمارة ۶ و ۹ از چرخة كلوين، واكنش هاي تراكم عامل آلدئيدي با دي هيدروكسي استون فسفات است

كه اين واكنش ها به كمك آنزيم آلدولاز كاتاليز مي شوند . نتيجة ‌آن اتصال دي هيدروكسي استون فسفات به يك آلدئيد است. واكنش شمارة ۶ همچنين برعكس واكنش شمارة ۴، راه گليكوليز است. واكنش هاي شمارة‌ ۷ و ۱۰ واكنش هاي هيدروليز فسفات هستند كه از هر كدام از اين واكنش ها، يك مولكول فسفات معدني Pi توليد مي شود و اين واكنش به ترتيب توسط آنزيم هايي به نامهاي فروكتوز بيس فسفات از يا FBPase و سدوهپتولوز بيس فسفات از يا sbpASE كاتاليز مي شوند. باقيماندة واكنش هاي چرخة كلوين توسط آنزيم هايي

كاتاليز مي شوند كه در آن پنتوز فسفات نيز همين واكنش ها ار كاتاليز مي نمايند. در واكنش هاي شمارة ۸ و ۱۱ كه هر دو توسط آنزيم ترانس ستولاز كاتاليز مي شوند،‌ يك واحد دو كربنة ستوني از يك قتند ستوزي به مولكول گليسرآلدئيد –۳- فسفات منتقل مي گردد و در نتيجه يك قند ۵ كربنة ستوزي به نام گزيلولوز –۵- فسفات يا Xu5P توليد مي شود. در نتيجة انجام اين واكنش ها فرآورده هاي ديگري نيز توليد مي شوند كه عبارتند از قند ۴ كربنة آلدوزي به نام اريتروز –۴- فسفات يا E4P كه از واكنش شمارة ۸ و ريبوز –۵- فسفات يا R5P كه از

واكنش شمارة ۱۱ به دست مي آيند. قند اريتروز –۴-فسفات يا E4P توليدي در واكنش شمارة ۸ به عنوان يكي از دو واكنش گر، وارد واكنش شماره ۹ مي شود. مولكول هاي گزيلولوز –۵- فسفات يا Xu5P توليدي در واكنش هاي شمارة ۸ و ۱۱ به كمك آنزيم فسفوپنتوزاپيمراز در واكنش شمارة ۱۲ به ريبولوز –۵- فسفات يا Ru5p تبديل مي شود. ريبوز –۵- فسفات يا R5P به دست آمده از واكنش شمارة‌۱۱ نيز به نوبة خود توسط آنزيم ريبوز فسفات ايزومراز در واكنش شمارة ۱۳ به Ru5P تبديل مي شود و در نتيجه چرخة كلوين تكميل مي گيردد. از ۱۱ آنزيمي كه در چرخه كلوين فعال هستند، تنها سه آنزيم در بافت هاي حيواني وجود ندارند كه عبارتند از فسفوريبولوكيناز،‌ ريبولوز بيس فسفات كربوكسيلاز و سدوهپتولوز بيس فسفاتاز يا SBPase .

۲- آنزيم ريبولوز بيس فسفات كربوكسيلاز واكنش تثبيت گاز كربنيك را كاتاليز مي نمايد:
يكي از مهمترين آنزيم هاي جهان كه واكنش تثبيت گازكربنيك را كاتاليز مي نمايد،‌ ريبولوز بيس فسفات كربوكسيلاز يا RuBP carboxylase است، زيرا تقريباً تمامي حيات روي كرة زمين بستگي به فعاليت آن دارد. اين پروتئين احتمالاً به علت پايين بودن راندمان كاتاليزوري بستگي به فعاليت آن دارد. اين پروتئين احتمالاً به علت پايين بودن راندمان كاتاليزوري (Kcat تقريباً برابر )، حدود ۵۰ درصد پروتئين هاي برگ را تشكيل مي دهد،‌ بنابراين فراوان ترين نوع پروتئين در عالم حيات است . آنزيم ريبولوز بيش فسفات كربوكسيلاز در گياهان عالي و اغلب

موجودات ذره بيني فتوسنتزي از ۸ زير واحد بزرگ (L) (477 باقيماندة اسيدهاي آمينة‌ در برگهاي توتون) رمز گشايي شده توسط DNA كلروپلاست و ۸ زير واحد كوچك (S) (123 باقيماندة‌ اسيد آمينه) رمزگشايي شده توسط ژن موجود در هسته، تشكيل شده است و اين آنزيم را با نشان مي دهند. مطالعات اشعة X كه از اين آنزيم توسط كارل-ايواربراندن و ديويد ايزنبرگ انجام گرفته است، نشان مي دهد كه آنزيم تقارن يك منشور مكعبي را دارد. زير واحد بزرگ آنزيم از يك زنجير پلي پپتيدي با ساختمان غالب بتا و يك ساختمان فنري شكل حاوي جايگاه فعال آنزيم،‌ تشكيل شده است (شكل شماره ۲۲۰). وظيفة زير واحد كوچك آنزيم هنوز مشخص نشده است.

راهكار پذيرفته شدة‌ نحوة عمل آنزيم RuBP كربوكسيلاز كه در حد وسيعي توسط خود كلوين مشخص شده بود در شكل شمارة‌۲۲۱ نشان داده شده است. در اولين واكنش آنزيم، يك پروتون از كربن شمارة‌۳ ريبولوز بيس فسفات جذب مي كند. اين واكنش كه محدود كنندة سرعت عمل آنزيم است مولكول انديولات توليد مي كند كه اين مولكول در حملة هسته دوستي به مولكول گازكربنيك شركت مي كند. در نتيجة اين واكنش، ملكول بتاستواسيد به دست مي آيد كه بالافاصله از كربن شمارة‌۴ مورد حملة آب قرار مي گيرد و به يك تركيب ۶ كربنه حد

واسط تبديل شده كه اين تركيب به دو مولكول سه كربنه شكسته مي شود . محصول نهايي اين فرايند دو مولكول ۳- فسفوگليسرات يا PG3 است. نيروي محركة توليد مولكول هاي PG3 واكنش تجزيه تركيب حدواسط بتاستواسيد مي باشد كه اين واكنش مي تواند در شرايط استاندارد و PH فيزيولوژيك (۷=Ph) انرژي معادل ۱/۳۵ كيلو ژول بر مول توليد نميد.

شكل شمارة‌۲۲۰ نشان مي دهد كه پروتئين داراي ساختمان چهار بعدي است و محورهاي چهارتايي آن به طرف بيننده مي باشد. همچنين ساختمان يك زير واحد بزرگ پروتئين را نشان مي دهد كه در آن دو نوع پروتئين و دو قسمت غالب پروتئين را تشكيل مي دهند.

واكنش ريبولوز بيس فسفات كربوكسيلاز از طريق توليد يك تركيب حد واسط انديولات انجام مي گيرد كه با شركت در يك حملة ‌نوكلئوفيلي به گاز كربنيك يك بتا ستواسيد توليد مي گردد.
آنزيم ريبولوز بيس فسفات كربوكسيلاز براي فعاليت، نياز به يون منيزيم دارد و احتمالاً در پايدار كردن بارهاي منفي كه در جريان كاتاليز توليد مي شوند، شركت مي كند. يون منيزيم همچنين با يك گروه مهم كاتاليزوري به نام گروه كاربتامات (-NH-COO-) پيوند مي يابد.
۳- گليسرآلدئيد-۳- فسفات پيش ساخت گلوكز –۱- فسفات و ساير فراورده هاي بيوسنتزي است.
مجموعة واكنش هاي چرخة كلوين را مي توان در معادلة ذيل خلاصه كرد:

محصول اولية ‌فتوسنتز، يعني گليسرآلئيد –۳- فسفات در راهاي متنوع متابوليكي خارج و يا داخل كلروپلاست مورد استفاده قرار مي گيرد. به عنوان مثال به كمك آنزيم هاي ديگر راه كلوين، اين مولكول مي تواند به فروكتوز –۶- فسفات و سپس به كمك آنزيم هاي فسفوگلوكز ايزومراز و فسفوگلوكوميوتاز به گلوكز –۱- فسفات تبديل شود. گلوكز –۱-فسفات، پيش ساخت قندهاي ديگر در گياهان به حساب مي آيد، كه مهمترين اين قندها عبارتند از ساكاروز (مهمترين قند حامل براي تحويل كربوهيدرات ها به سلولهاي غيرفتوسنتزي)، نشاسته (پلي ساكاريد اصلي ذخيرهاي گياه) و سلولز (سازندة‌ ساختمان ديوارة ‌سلولي سلول هاي گياهي). با توجه به نوع گياه و راه متابوليكي، مادة‌ مورد اثر آنزيم يعني گلوكز –۱-فسفات با تشكيل يكي از تركيبات مانند –GDP,-CDP,-ADP و يا –UDP گلوكز فعال مي شود. واحد گلوكز در نهايت به پايانة يك زنجير پلي ساكاريدي در حال رشد اضافه مي گردد.

ب- كنترل چرخة كلوين: گياهان در طول روشنايي روز، انرژي مورد نياز خود را از طريق انرژي نوري و انرژي واكنش هاي فتوسنتز كه در پناه نور (تاريكي) انجام مي گيرند تأمين مي كنند و در طول شب و تاريكي، مانند ساير موجوات زنده،‌ بايد از انرژي ذخيره اي خود براي توليد مولكول هاي پرانرژي مانند ATP و NADPH از طريق راههاي متابوليكي گليكوليز، فسفوريلاسيون اكسيدي و پنتوز فسفات استفاده كنند. به علت اينكه استروماي كلروپلاست حاوي آنزيم هاي راه گليكوليز، پنتوز فسفات و همچنين چرخة كلوين است، بنابراين بايد يك راهكار كنترل حساس به نور در استروما باشد تا از هدر دادن محصولات فتوسنتز جلوگيري نمايد.

مطالعات نشان مي دهد كه كنترل مواد ورودي به يك راه متابوليكي از طريق تنظيم فعاليت آنزيم مربوط به واكنش هايي انجام مي گيرد كه از حالت تعادل، بسيار فاصله دارند‌، يعني تغييرات انرژي آزاد آنها بسيار منفي است. از جدول شمارة‌۳۷ مي توان چنين استباط كرد كه بهترين واكنش هايي كه مي تواند در كنترل چرخة كلوين دخالت نمايند واكنش هاي شمارة ۲، و ۱۰ از شكل شمارة ۲۱۹ مي باشند كه به ترتيب توسط سه آنزيم RuBP كربوكسيلاز، FBPase و SBPase كاتاليز مي شوند. در حقيقت راندمان كاتاليزري اين سه آنزيم در شرايط موجود زنده از يكديگر متفاوت مي باشد.

فعاليت آنزيم ريبولوز بيس فسفات كربوكسيلاز بستگي به سه عامل وابسته به نور دارد:
۱- PH : در روشنايي به علت پمپ شدن پروتون از استروما به طرف حفرة داخلي تيلاكوئيد، PH استروهماي كلروپلاست گياه تقريباً از ۰/۷ به ۰/۸ افزايش مي يابد. بهترين PH فعاليت آنزيم ريبولوز بيس فسفات كربوكسيلاز نزديك به ۸ است.

۲- غلظت يون منيزيم: پروتون هايي كه در اثر تابش نور به حفرة داخلي تيلاكوئيد منتقل مي شوند در مقابل باعث حركت و خروج يون هاي منيزيم از حفرة داخلي به طرف استروما مي گردند. يون هاي منيزيم خروجي از حفرة داخلي تيلاكوئيد در تحريك فعاليت آنزيم ريبولوز بيس فسفات كربوكسيلاز دخالت دارند.
۳- در بسياري از گياهان تركيبي به نام –۲ كربوكسي آرابينيتول –۱- فسفات يا CA1P توليد مي شود كه اين تركيب از فعاليت ريبولوز بيس فسفات كربوكسيلاز يا RuBP فقط در تاريكي جلوگيري مي كند. (شكل شمارة ۲۲۲).

آنزيم هاي FBPase و SBPaseبا افزايش PH و غلظت يون منيزيم و همچنين NADPH مي شوند. تأثير اين عوامل توسط يك سيستم كنترل كنندة ثانويه كه به پتانسيل اكسيداسيون و احياي استروما پاسخ مي دهد، كامل مي شود. يك نوع پروتئين با وزن مولكولي ۱۲ كيلودالتون به نام تيوردوكسين كه در اغلب انواع سلول ها وجود دارد، حاوي يكگروه دي سولفيدي سيستين(Cystine) مي باشد كه به وط برگشت پذيري احيا مي شود. تيوردوكسين احياشده، هردو آنزيم FBPase و SBPase را به كمك يك واكنش تعويض دي سولفيدي فعال مي سازد (شكل شمارة‌۲۲۳). سطح اكسيداسيون و احياي تيوردوكسين توسط دومين آنزيم حاوي دي سولفيد به نام فرودكسين- تيوردوكسين رداكتاز ابقا مي شود. اين آنزيم به طور مستقيم به وضعيت و حالت اكسيداسيون و احياي فرودوكسين محلول پاسخ مي دهد. اندازة‌ اين پاسخ به ميزان روشناي بستگي دارد. سيستم تيوردوكسين همچنين آنزيم

فسفوفوركتوكييناز يا PFK را غيرفعال مي سازد. اين آنزيم مهمترين عامل انجام واكنش هاي متابوليكي گليكوليز به حساب مي آيد. بنابراين در گياهان، نور باعث تحريك چرخة كلوين مي شود ولي از فعاليت گليكوليز جلوگيري مي نمايد، در حالي كه تاريكي اثر معكوس دارد و به همين علت معروف است كه واكنش هاي فتوسنتزي تاريكي در تاريكي انجام نمي گيرند.
شكل شمارة‌۲۲۳- نحوة عمل فعال سازي آنزيم هاي FBPase و SBPase به كمك نور، فتوسيستم I كه در اثر نور فعال شده است فرودوكسين (Fd) محلول را احيا مي كند.

شكل شمارة‌۲۲۳ نشان مي دهد كه چگونه فردوكسين احيا شدة آنزيم فرودكسين- تيورودكسين رداكتاز را احيا مي سازد و اين آنزيم به نوبة ‌خود پيوند دي سولفيدي تيورودكسين را احيا مي كند. تيوردوكسين احيا شده به كمك تعويض دي سولفيد، يا بيس فسفاتاز غيرفعالي وارد واكنش مي شود و در نتيجه اين آنزيم كنترل كنندة چرخة كلوين را فعال مي سازد.
ج- تنفس نوري: ازسال ۱۹۶۰ ميلادي اين موضوع شناخته شده بود كه گياهان در روشنايي از طريق يك راه متابوليكي، جداي از فسفوريلاسيون اكسيدي، اكسيژن مصرف مي كند و

گازكربنيك خارج مي سازند. در حقيقت در سطح پايين گازكربنيك و سطح بالاي اكسيژن، فرايند تنفس نوري بر تثبيت گازكرينيك از راه فتوسنتز برتري مي يابد. اساس و پاية ‌پدپدة تنفس نوري غير قابل انتظار است: اكسيژن و گازكربنيك به عنوان مواد مورد اثر آنزيم ريبولوز بيس فسفات كربوكسلاز با هم رقابت مي كنند، به همين دليل اين آنزيم را همچنين ريبولوز بيس فسفات كربوكسيلاز- اكسيژناز يا روبيسكو نيز مي نامند. در واكنش اكسيژناز،‌ اكسيژن با ماده مورد اثر ديگر آنزيم،‌ يعني ريبولوز بيس فسفات ، وارد واكنش مي گردد و مولكول هاي ۳-

فسفوگليسرات يا pg3 و ۲- فسفوگليكولات را توليد مي كند (شكل شمارة ‌۲۲۴). ۲- فسفوگليكولات به كمك آنزيم هاي مخلتف در پراكسي زوم و ميتوكندريون تا حدودي اكسيد شده و به گاز كربنيك تبديل مي شود. بنابراين تنفس نوري، قسمتي از كارهاي فرآيند فتوسنتز را بي اثر مي سازد.

۱- تنفس نوري،‌ مولكول هاي ATP و NADPH را از بين مي برد- راه متابوليكي تنفس نوري در شكل شمارة‌ ۲۲۵ نشان داده شده است . مولكول گليكولات از كلروپلاست وارد پراكسي زوم يا گلي اكسي زوم مي شود و در آنجا به كمك آنزيم گليكولات اكسيداز اكسيده شده و به گلي اكسيلات و پراكسيد هيدروژن تبديل مي گردد. پراكسيد هيدروژن عامل اكسيد كنندة خطرناكي است كه به كمك يك آنزيم حاوي هم به نام كاتالاز به آب و اكسيژن تجزيه مي شود. گلي اكسيلات مي تواند در يك واكنش انتقال عامل آمين به گليسين تبديل شده و وارد ميتوكندي گردد. در داخل ميتوكندري دو مولكول گليسين به يك مولكول سرين و يك مولكول گازكربنيك تبديل مي شود. اين واكنش منبع توليد گازكربنيك در تنفس نوري به حساب مي آيد. اسيد آمينة سرين مجدداً به داخل پراكسي زوم بر مي گردد و در آنجا يك واكنش انتقال عامل آميني، آن را به هيدروكسي پيرووات تبديل مي كند.

در ادامة راه متابوليكي تنفس نوري هيدروكسي پيرووات، در داخل پراكسي زوم، به كمك آنزيم هيدوكسي پيرووات رداكتاز، احيا شده و به گليسرات تبديل مي شود. در داخل سيتوزول، گليسرات فسفوريله شده و به ۳-فسفوگليسرات تبديل مي شود و اين تركيب مجدداً وارد كلروپلاست مي گردد و در آنجا توسط چرخة كلوين به مادة اوليه، يعني ريبولوز بيس فسفات تبديل مي گردد. نتيجة نهايي اين چرخة پيچيدة تنفس نوري اين است كه مقداري از مولكول هاي پرانرژي ATP و NADPH كه توسط واكنش هاي نوري فتوسنتز توليد شده بودند، بدون اينكه مورد استفاده گياه قرار بگيرند، از بين مي روند.

اگر چه تنفس نوري وظيفة متابوليكي شناخته شده اي ندارد، ولي آنزيم ريبولوز بيس فسفات كربوكسلاز جدا شده از انواع مختلف موجودات زنده فتوسنتزي كه تاكنون مورد آزمايش قرار گرفته اند،‌ داراي فعاليت اكسيژناز نيز مي باشند.
۲- گياهان ۴C گاز كربنيك را متراكم مي كنند. در يك روز گرم و كاملاً روشن ، زماني كه فرايند فتوسنتز غلظت گازكربنيك در كلروپلاست را كاهش و غلظت اكسيژن را افزايش مي دهد، سرعت فتوسنتز، به سرعت تنفس نوري نزديك مي شود. اين پديده يكي از مهمترين عوامل محدود كننده شد بسياري از گياهان به حساب مي آيد كه براي رفع آن مطالعات زيادي انجام گرفته است. يكي از آنها اصلاح ساختار ژنتيكي گياهان است و هنوز به نتيجة مثبت نرسيده است. با وجود اين ، انواع معيني از گياهان مانند نيشكر، ذرت و اغلب علفهاي هرز مهم، مجهز به چرخه متابوليكي هستند كه مي توانند گازكربنيك را در سلولهاي فتوسنتزي متراكم كنند و در نتيجة، تقريباً به طور كامل از تنفس نوري جلوگيري مي شود. برگهاي گياهان داراي چرخة معروف از ويژگي هاي ساختماني خاصي برخوردار مي باشند. رگ برگهاي نازك اين گياهان به صورت متراكم از يك تك لايه به نام سلول هاي پوششي رشته اي احاطه شده اند و اين لاية‌ پوششي توسط يك لايه از سلول هاي مزوفيل پوشيده شده است.

در سال ۱۹۶۰ ميلادي مارشال هچ و روجر اسلك چرخة را كشف كردند (شكل شمارة‌۲۲۶). اين چرخة موقعي شروع مي شود كه سلول هاي مزوفيل فاقد آنزيم ريبولوز بيس فسفات كربوكسيلاز هستند و گاز كربنيك هوا را جذب مي كنند. آنزيم كربنيك آنهيدراز گاز كربنيك جذب شده را به صورت يون بيكربنات تثبيت و متراكم مي كند و اين يون در واكنشي كه به كمك آنزيم فسفوانول پيرووات كربوكسلاز يا PEP انجام مي گيرد با يك مولكول فسفوانول پيرووات تركيب شده و به اگزالواستات تبديل مي گردد. اگزالواستات به كمك كوآنزيم NADPH احيا

شده و به مالات تبديل مي شود و اين تركيب چهاركربنه كه مبناي نامگذاري اين چرخة به است، به سلوله اي پوششي رشته اي وارد مي شود. در داخل سلول هاي پوششي رشته اي، مالات به كمك كوآنزيم و تحمل دكربوكسيلاسيون اكسيدي همراه با حذف يك مولكول گازكربنيك ، به پيرووات و يك مولكول NADPH تبديل مي شود. گازكربنيكي كه به اين شكل جمع مي شود وارد چرخة كلوين مي گردد. پيرووات به سلول هاي مزوفيل بر مي گردد تا پس از فسفوريلاسيون به تركيب اوليه، يعني فسفوانول پيرووات تبديل شود. آنزيمي كه اين واكنش را كاتاليز مي نمايد يعني پيرووات –فسفات دي كيناز عمل غيرمعمولي را در فعال سازي گروه فسفات از خود نشان مي دهد،‌ به طوري كه با مصرف يك مولكول ATP يك مولكول AMP و يك

ملكول پيروفسفات Ppi توليد مي كند و پيروفسفات با تجزية بيشتر كه معادل مصرف يك مولكول ديگر ATP است به دو مولكول فسفات معدني PI تبديل مي شود. بنابراين به ازاي تجمع هر گاز كربنيك در سلول هاي پوششي رشته اي. دو مولكول ATP مورد مصرف قرار مي گيرد. بنابراين با احتساب سه ATP مورد نياز در چرخة كلوين فرايند فتوسنتز در گياهان به ازاي هر مولكول گازكربنيك جذب شده،‌ به طور كلي با مصرف ۵ مولكول ATP همراه است.

گياهان در مناطق گرمسيري به فراواني ديده مي شوند، زيرا آنها مي توانند سريع تر از گياهان در شرايط گرم و آفتابي رشد كنند. گياهان به گياهاني گفته مي شود كه تثبيت گازكربنيك در آنها به كمك يك اسيدسيه كربنه انجام مي گيرد. در مناطق سردسيري كه ميزان تنفس نوري گياهان پايين است گياهان داراي امتياز هستند، زيرا اين دسته از گياهان براي تثبيت گاز كربنيك نياز به انرژي كمتري دارند.

۳- گياهان CAM گازكربنيك را از طريق تغييري در چرخة ذخيره مي كنند. و اريته هايي از گياهان وجود دارند كه در آنها مرحلة‌ گرفتن گاز كربنيك و انجام واكنش هاي چرخة كلوين از نظر زماني با هم اختلاف دارد. به عنوان مثال مي تواناز گياهان آبدار كويري نام برد. اگر اين گياهان روزنة خود را براي گرفتن گاز كربنيك در طول روشنايي روز باز كند، مانند ساير گياهان، مقدار قابل توجهي رطوبت خود را در اثر تبخير از دست مي دهند. براي به حداقل رسانيدن اين ضايعة رطوبتي،‌ اين گياهان آبدار كويري گاز كربنيك را صرفاً در شب هنگام دريافت مي كنند و با

استفاده از واكنش هاي راه متابوليكي آن را به صورت مالات ذخيره مي سازند. اين فرايند را كراسيولاسن اسيد متابوليسم يا CAM مي نامند. علت استفاده از كلمة كراسولاسن اين است كه براي اولين بار در گياهان خانوادة‌ كراسولاسه كشف گرديد. مقدار قابل توجهي فسفوانول پيرووات لازم است تا گازكربنيك توليد شدة روزانة‌ گياه را كه با تجزية نشاسته از طريق گليكوليز به دست آمده است، ذخيره نمايد. در جريان روشنايي روز، مالات به گازكربنيك و پيرووات شكسته مي شود. گازكربنيك به چرخة كلوين وارد شده و پيرووات در توليد مجدد نشاسته مورد استفاده قرار مي گيرد. بنابراين گياهان CAM قادر هستند تا فتوسنتز را با كمترين ضايعات آب انجام دهند.

متابوليسم ازت در گياهان
مقدمه
يكي از تركيبات تشكيل دهنده بسياري از مواد مهم موجود در سلولهاي زنده، ازت است. مهمترين اين تركيبات كه بيشتر مورد توجه هستند عبارتند از اسيدهاي آمينه، پروتئين ها (آنزيم) و اسيدهاي نوكلئيك (DNA , RNA) در حالي كه ساير تركيبات ازت دار، مانند پلي آمين ها و كلروفيل ممكن است نقش مهمي در برخي از موجودات زنده ايفا نمايند. اغلب جانوران توانايي هضم و استفاده از ازت غيرآلي را ندارند و همچنين نمي توانند نيمي از اسيدهاي آمينة مورد نياز خود را توليد نمايند، مگر اينكه توليد پروتئين ها به كمك باكتريهاي، مانند باكترهاي شكمبة نشخواركنندگان، انجام گيرد.

اگر چه ازت براحتي در هوا قابل دسترس است،‌ ولي صرفاً تعدادي از باكتري ها مي توانند ازت هوا را تثبيت كنند و آمونياك توليد نمايند در نگاه اول به نظر مي رسد بحث تثبيت ازت در گياهان عجيب باشد،‌ زيرا گياهان قادر به تثبيت ازت در خود نيستند. تثبيت در پريكاريوت ها (باكتري ها) مانند سيانوباكترها كه مي توان آنها را گياهان اوليه ناميد، به اثبات رسيده است . مطالعات نشان مي دهد كه ارتباط بسيار نزديكي بين باكتري هاي تثبيت ازت و گياهان آلي وجود دار كه اهميت آنها به اندازه اي است كه مي توان يك كتاب مستقل در اين مورد به

رشتة تحرير در آورد. گياهان به يك منبع ازت غير آلي نياز دارند. از مقدار كل ازتي كه در جهان زنده وجود دارد، ۹۵/۹۹% آن را ازت موجود در هوا و يا ازت محلول تشكيل مي دهد كه اين مقدار برابر با۱۵ ۱۰×۴ تن مي باشد اغلب گياهان ازت مورد نياز خود را از يون هاي نيترات و آمونيوم موجود در خاك و يا آب تأمين مي كنند و ساليانه ميليون ها پوند از اين تركيبات به عنوان كودهاي ازته به منظور بهبود و ابقاي كيفيت مناسب توليد فراورده هاي كشاورزي مورد استفاده قرار مي گيرد. علاوه بر مشكل گراني كودهاي ازته، استفاده بيش از حد اين تركيبات باعث ورود آنها به رودخانه درياچه ها و اقيانوس ها مي گردد و اضافه بر اين منبع دقيق كودهاي ازته هنوز مورد بحث مي باشد.

در اغلب گياهان، نيترات تنها منبع ازت به حساب مي آيد كه توسط ريشة گياه از زمين جذب مي شود. آمونياك به صورت يون آمونيوم در خاكهاي بدون هواي اسيدي وجود دارد و برخي از گياهان مانند برنج و سوزني برگها مي توانند آن را مسقيماً از اين نوع خاك ها جذب كنند. ازت پس از جذب در ريشه به قسمت هاي در حال رشد گياه منتقل مي شود. در نهايت ازت در بذر ذخيره مي شود و در محصولاتي كه از نظر كشاورزي بسيار مهم هستند مانند غلات و حبوبات، ارزش اقتصادي بالائي به وجود مي اورد. شكل شمارة‌۲۲۷ مسير سادة مهمترين راههاي متابوليسم ازت را در گياه نشان مي دهد. مطالعات سالهاي اخير پيشرفتهاي زيادي از دانش ما را نسبت به نحوة رمزگشايي تعدادي از ژن هاي مربوط به آنزيم هايي كه در متابوليسم ازت دخالت دارند،‌ به وجود آورده است.

جذب نيترات
به علت فقدا يك نشانگر راديواكتيو مناسب، مطالعات روي چگونگي جذب ازت بخوبي انجام نگرفته است . كوششهايي با استفاده از و در سالهاي اخير با استفاده از ايزوتوپ ناپدار به ريشة گياه يك منحني استاندارد سينتيكي ميكائيليس – منتن (شكل شماره ۲۲۸) از خود نمايش داد و اين سيستم به عنوان سيستم حمل و نقل با همخواني بالا يا HATS نام گرفت.
احياي نيترات

نيترات در دو مرحله توسط آنزيم هاي نيترات ردوكتاز و نيتريت ردوكتاز احيا شده و به آمونياك تبديل مي گردد، نيترات تبديل مي گردد. نيترات توسط آنزيم نيترات ردوكتاز:
و نيتريت توسط آنزيم نيتريت رودكتاز:

قدرت احياكنندگي براي احياي نيترات توسط كوآنزيم NADH تأمين مي گردد،‌ در حالي كه براي انتقال ۶ الكترون به منظور احياي نيتريت نياز به فرودوكسين مي باشد. احياي نيترات مي تواند در ريشه و يا در ساقة جوان اتفاق بيفتد و بستگي به نوع گياه، سن رشد و موجودي نيترات گياه دارد. به طور كلي با افزايش غلظت نيترات موجود در خارج بافت گياه، نسبتي كه براي انجام فرايند احيا به داخل ساقة جوان گياه وارد مي شود نيز افزايش مي يابد. آنزيم نيتريت ردوكتاز به طور كامل در كلروپلاست يا پلاستيد وجود دارد. علي رغم مطالعات فرواني كه انجام گرفته است تا كنون حضور آنزيم نيترات ردوكتاز كلروپلاست مورد تأييد قرار نگرفته است. اين آنزيم در سيتوپلاسم سلول واقع است، ولي به هنگام احياي نيترات ممكن است به طور موقت به غشاي كلروپلاست متصل گردد. چنين سيستمي باعث انتقال سريع نيتريت به داخل كلروپلاست مي شود و از توليد و تجمع متابوليت هاي سمي جلوگيري مي كند.
نيترات ردوكتاز

الف- ساختمان- نتيرات ردوكتاز(NR)، آنزيم وابسته به كوآنزيم NADH، از دو زير واحد مساوي با تقريباً ۱۰۰ كيلو دالتون تشكيل شده است و حاوي موليبدات، مو- پترين، هين و FDA مي باشد. در اين آنزيم دو جايگاه فعال وجود دارد، در يك جايگاه NADH به FAD الكترون مي دهد و اين الكترون هاي به دست آمده را در دومين جايگاه فعال به آهن هيم و از آنجا به موليبدن مو- پترين منتقل مي سازد. بنابراين نيترات در دومي جايگاه فعال آنزيم به نيتريت احياء مي شود. سه بخش غالب مشخص در قسمت پروتئيني آنزيم وجود دارد كه عبارتند از: ۱- مو-

پترين،‌ ۲-پروتئين حاوي آهن و ۳-جايگاه متصل به FAD، دو منطقة محوري به اندازة‌ تقريباً ۳۰ باقيمانده اسيد آمينه بين بخشهاي غالب پروتئيني، آنزيم را به يكديگر متصل مي سازد.
ب- ژنتيك و بيولوژي مولكولي- بعد از مطالعات اوليه اي كه روي باكتري ها و قارچ ها انجام گرفت، در گياهان آلي موتان هايي بررسي گرديد كه فاقد فعاليت آنزيم NR بوده اند. در گياه جو يك ژن ساختماني به نام narl تشخيص داده شد است. در موتان گياهاني كه فاقد آنزيم نيترات ردوكتاز وابسته به Nadh بوده اند آنزيمي با دو گرايش ويژه وابسته به NADH و NADPH وجود دارد. در ساير گياهان، شواهدي وجود دارد كه نشان مي دهد، حداقل دو ژن وجود دارد كه مسؤل رمز گشايي آنزيم نيترات ردوكتاز وابسته به NADH مي باشد.

تنظيم فعاليت آنزيم نيترات رودكتاز در انواع مختلف گياهان مورد مطالعه قرار گرفته است. همان طوري كه انتظار مي رود نحوة‌ كنترل فعاليت آنزيم در گونه هاي مختلف گياهان متفاوت است، ولي در همة گياهان نقاط مشتركي نيز وجود دارد. موقعي كه يك گياه در معرض نيترات قرار مي گيرد، افزايش قابل توجهي در فعاليت قابل استخراج آنزيم نيترات قرار مي گيرد، افزايش قابل توجهي در فعاليت قابل استخراج آنزيم نيترات ردوكتاز و پروتئين، در برگها و شاخه هاي جوان، ديده مي شود. در حقيقت آنزيم نيترات ردوكتاز يكي از اولين آنزيم هاي بود كه تولبد آن در گياهان آلي به اثبات رسيد.
نيتريت ردوكتاز

نيتريت ردوكتاز، آنزيم وابسته به فرودوكسين (NiR)، از يك زير واحد با وزن مولكولي ۶۰ تا ۶۴ كيلو دالتون تشكيل شده است. زنجير پلي پپتيدي اين آنزيم، حاوي يك گروه پروستتيك سيروهيم و خوشة S 4 – Fe4 در جايگاه فعال مي باشد.
جداسازي موتان هاي گياهاني كه فاقد فعاليت آنزيم نيتريت ردوكتاز هستند بسيار مشكل است. اين مشكل تا حدودي به علت سمي بودن آن است كه اثرهاي تخريب كننده هاي روي متابوليسم خواهد داشت. اخيراً گزارشي مبني بر جداسازي موتان فاقد فعاليت آنزيم نيتريت ردوكتاز از گياه جو گزارش شده است. گياه بايد روي محيطي از غلظت پايين آمونياك يا گلوتامين به عنوان منبع تأمين كنندة ازت باقي بماند.