Темновая фаза фотосинтеза
Американский ученый Мэлвин Кальвин для изучения темновых реакций фотосинтеза, связанных с фиксацией и превращением углекислого газа, широко использовал метод меченых атомов.
Вещества, имеющие радиоактивную метку, по химическим свойствам практически не отличаются от обычных. Однако наличие радиоактивного атома позволяет проследить за судьбой молекулы, ее превращениями в другие соединения, ведь излучение, испускаемое меткой в ходе распада, может быть легко измерено с помощью приборов.
Предположение М.Кальвина подтвердилось – углекислый газ действительно присоединяется к пятиуглеродному сахару под названием рибулезодифосфат (РДФ ). Это - реакция карбоксилирования , которая катализируется ферментом рибулезодифосфаткарбоксилазой . Этот фермент составляет половину всех растворимых белков хлоропластов и, вероятно, по массе превосходит все остальные белки на Земле. Его концентрация в хлоропластах, равная примерно 0,5 мМ, сравнима с концентрациями субстратов катализируемой им реакции.
Фосфоглицериновая кислота (ФГК) превращается затем в фосфоглицериновый альдегид (ФГА ) (рис. 10). На этом этапе и возникает потребность в продуктах световых реакций – АТФ и НАДФ ∙ Н. В темноте в хлоропластах не образуются эти богатые энергией соединения, и поэтому фосфоглицериновая кислота не превращается в трехуглеродное соединение - фосфоглицериновый альдегид, что ведет к остановке синтеза органических веществ. Этот этап цикла Кальвина называется восстановительным .
Ну а какова же дальнейшая судьба фосфоглицеринового альдегида? Из шести молекул этого соединения в результате циклических превращений возникают три молекулы рибулезодифосфата, необходимого для присоединения новых молекул углекислого газа. Цикл этих реакций получил название - этапрегенерации акцептора. Шестая молекула ФГА выходит из цикла Кальвина и, по мере накопления молекул фосфоглицеринового альдегида, из них возникают различные продукты: глюкоза в ягодах винограда, сахароза в корнях сахарной свеклы, крахмал в клубнях картофеля, инулин в корневищах цикория и многие другие.
Работы М. Кальвина по выяснению сущности темновых реакций фотосинтеза – крупнейшее достижение современной физиологии растений. В 1961 году он был удостоен Нобелевской премии.
Итак, М. Кальвин установил, что углекислый газ вовлекается в цепь реакций, носящих циклический характер: он присоединяется к рибулезодифосфату, а в конце превращений вновь образуется это же вещество, готовое к присоединению новых молекул углекислого газа. Совокупность темновых реакций фотосинтеза получило название цикла Кальвина.
Изучая зеленые растения, ученые убеждались в том, что во всех случаях путь фотосинтетических превращений одинаков. И только в 1966 году австралийские ученые Хетч и Слэк установили, что в некоторых растениях в частности кукурузе, эти превращения протекают по-иному, с отклонением от схемы Кальвина. У кукурузы углекислый газ присоединяется не к рибулезодифосфату, а к трехуглеродному соединению – фосфоенолпировиноградной кислоте , что приводит к образованию четырехуглеродного (С 4) соединения – щавелевоуксусной кислоты . После выдерживания растений в атмосфере с меченым углекислым газом это вещество первым выявляется на хроматограммах. По этой причине путь фотосинтетических превращений у кукурузы получил название С 4 -пути . А вот цикл превращений по Кальвину обозначили как С 3 -путь , поскольку на хроматограммах первым выявляется трехуглеродное соединение ФГК – фосфоглицериновая кислота.
Итак, СО 2 , диффундирующий в лист через устьица, попадает в цитоплазму клеток мезофилла листа, где при участии фермента фосфоенолпируваткарбоксилазы вступает в реакцию с фосфоенолпируватом (ФЕП), образуя щавелевоуксусную кислоту. Последняя поступает в хлоропласты, где восстанавливается до яблочной кислоты (малата ) за счет НАДФ ∙ Н, образующегося в световой фазе фотосинтеза (рис.11).
Образовавшись в клетках мезофилла листа, малат перемещается затем в особые клетки, окружающие сосуды. Это так называемые клетки обкладки сосудистых пучков (рис.12). В них так же есть хлоропласты, только они значительно крупнее находящихся в клетках мезофилла и часто не имеют гран. Здесь, в клетках обкладки малат отщепляет углекислый газ (декарбоксилируется ), который вовлекается в цикл фотосинтетических превращений уже по знакомой нам схеме Кальвина. Наряду с углекислым газом из малата образуется фосфоенолпируват , который, возвратившись в клетки мезофилла листа, вновь может присоединять молекулы углекислого газа.
Помимо кукурузы, С 4 -путь фотосинтеза обнаружен у некоторых других злаков, преимущественно тропических и субтропических растений (сахарный тростник, сорго, просо). В настоящее время известно 19 семейств цветковых растений в которых есть С 4 –виды.
Зачем же растениям потребовалось так усложнять процесс фотосинтеза? Ведь поскольку каждая молекула СО 2 должна связаться дважды, затраты энергии при С 4 -фотосинтезе примерно вдвое больше, чем при С 3 -фотосинтезе. Оказалось, что С 4 -путь имеет ряд преимуществ по сравнению с С 3 -путем. Во-первых, ФЭП-карбоксилаза более эффективно фиксирует СО 2 , чем РДФ-карбоксилаза и в клетках обкладки сосудистых пучков накапливается большое количество СО 2 . С одной стороны, это создает лучшие условия для работы РДФ-карбоксилазы, а с другой – подавляет фотодыхание .
Фотодыхание – это светозависимое поглощение кислорода и выделение СО 2 . Оно не имеет никакого отношения к обычному дыханию и происходит в результате того, что РДФ-карбоксилаза взаимодействует не только с СО 2 , но и с молекулярным кислородом. При этом образуется ненужный гликолат на дальнейшие превращения которого расходуется энергия и выделяется СО 2 , который уже однажды утилизировался в процессе фотосинтеза. Фотодыхание снижает потенциальную урожайность С 3 -растений на 30-40%. Поэтому главное преимущество С 4 -фотосинтеза состоит в том, что значительно возрастает эффективность фиксации СО 2 , а углерод не теряется бесполезно в результате фотодыхания. И хотя С 4 –растения потребляют больше энергии, такие растения обычно растут в условиях, где освещенность очень высока. Поэтому они более эффективно используют высокую интенсивность освещения и высокие температуры тропических районов. Во-вторых, С 4 -растения лучше переносят засуху. Чтобы уменьшить потерю воды путем транспирации, растения прикрывают устьица, а это ведет к уменьшению поступления СО 2 . Однако двуокись углерода у них фиксируется настолько быстро, что обеспечивает потребности фотосинтеза. А на каждую фиксированную молекулу СО 2 они расходуют в два раза меньше воды, чем С 3 -растения. Не удивительно поэтому, что к С 4 - растениям относятся многие виды засушливой тропической зоны. Едва взойдет солнце, как растения сразу же начинают использовать запасенный в органических кислотах углекислый газ для синтеза различных веществ. Потому-то они растут быстрее.
Поскольку в цикле Кальвина первичными продуктами включения неорганического углерода в органический являются трехуглеродные соединения, данный процесс носит название С-3 путь фотосинтеза.
Важно заметить, что для синтеза одной молекулы глюкозы должно произойти шесть оборотов цикла Кальвина. В каждом обороте используются три молекулы АТФ (две для активирования двух молекул фосфоглицериновой кислоты и одна при регенерации рибулезодифосфата) и две молекулы НАДФ. Н 2 для восстановления кислоты в альдегид. Таким образом для синтеза одной молекулы глюкозы крайне важно потратить 12 молекул НАДФ. Н 2 и 18 молекул АТФ.
Важно отметить, что физиологическое значение цикла Кальвина состоит не только в акцепции углекислого газа, но и в создании массы углеводных соединений, которые идут как на синтез запасных веществ, так и на создание компонентов хлоропласта и текущий метаболизм клетки. .
Большинство растений усваивает неорганический углерод именно по пути цикла Кальвина. При этом довольно большая группа растений (около 500 видов) тропического происхождения выработала в процессе эволюции некоторую модификацию процесса, усваивая неорганический углерод путем образования в результате его акцепции четырехуглеродных соединений. Это растения, приспособившиеся к фотосинтезу в условиях повышенной температуры воздуха и избыточной освещенности, а также пониженной влажности почвы (засухи). Из культурных растений обладают таким метаболитическим процессом кукуруза, просо, сорго, сахарный тростник. У ряда сорных растений также наблюдается именно эта особенность метаболизма (свинорой, просо куриное, щирица) и т.д.
Особенностью анатомического строения таких растений является наличие фотосинтезирующих клеток двух типов, которые располагаются в виде концентрических кругов - радиально расположенные вокруг проводящих пучков клетки обкладочной паренхимы и мезофилла. Этот тип анатомического строения принято называть кранц-типом (от немецкого Кranz -венок).
Этот тип метаболизма был изучен в 60-е годы прошлого века, большую роль сыграли при этом исследования советских ученых Карпилова, Незговоровой, Тарчевского, а также австралийских ученых Хэтча и Слэка. Именно они предложили законченную схему цикла, в связи с этим принято данный процесс называть также циклом Хэтча-Слэка-Карпилова.
Процесс происходит в два этапа: поступающий в мезофилл СО 2 вступает в соединение с трехуглеродным соединением (ФЕП) - фосфоенолпировиноградной кислотой - которая превращается в четырехуглеродное соединение. Это и есть ключевой момент процесса, из-за которого он и получил свое название, так как неорганический углерод, акцептируясь трехуглеродным соединением, превращается в четырехуглеродное соединение. Учитывая зависимость оттого в какое именно четырехуглеродное соединение превращается неорганический углерод различают три группы растений:
НАДФ-МДГ образуют яблочную кислоту при участии фермента малатдегидрогеназы, а затем пировиноградной кислоты,
НАД-МДГ образуют аспарагиновую кислоту и аланин,
ФЕП-КК образуют аспарагиновую кислоту и фосфоенолпировиноградную кислоту.
Наиболее значимые для сельского хозяйства растения относятся к НАДФ-МДГ типу.
После образования четырехуглеродного соединения происходит его перемещение во внутренние клетки обкладочной паренхимы и расщепление или декарбоксилирование этой молекулы. Отделившаяся карбоксильная группа в виде CОО - входит в цикл Кальвина, а оставшаяся трехуглеродная молекула - ФЕП - возвращается опять в клетки мезофилла.
Такой путь фиксации углекислого газа позволяет растениям накапливать в виде органических кислот запас углерода, проводить процесс фотосинтеза в наиболее жаркое время дня при сокращении потерь воды на транспирацию за счёт закрытия устьиц. Эффективность использования воды такими растениями в два раза больше, чем у растений, происходящих из умеренных широт.
Для С 4 -растений характерны отсутствие обратного потока углекислого газа при фотодыхании и повышенный уровень синтеза и накопления органических веществ.
Цикл Кальвина – основной, но не единственный путь восстановления СО 2 . Так австралийские ученые М. Хетч и К. Слэк (1966) и советский ученый Ю. Карпилов (1960) выявили, что у некоторых растений, главным образом, тропических и субтропических, таких как кукуруза, сахарный тростник, сорго и другие, основная часть меченного углерода (14 СО 2) уже после нескольких секунд фотосинтеза обнаруживается не в фосфоглицериновой кислоте, а в щавелево-уксусной (ЩУК), яблочной (ЯК) и аспаргиновой (АК) кислотах. В этих кислотах можно обнаружить в первые секунды до 90 % поглощенного 14 СО 2 . Через 5–10 минут метка появлялась в фосфоглицериновой кислоте, а затем в фосфоглицериновых сахарах. Так как эти органические кислоты содержат по 4 атома углерода, то такие растения начали называть С 4 -растениями в отличие от С 3 -растений, в которых радиоуглеродная метка появляется, прежде всего, в ФГК.
Это открытие положило начало серии исследований, в результате которых подробно был изучен химизм превращения углерода в фотосинтезе в С 4 -растениях. Акцептором углекислого газа в этих растениях является фосфоенолпировиноградная кислота (ФЕП) (рис.2.19).
Рис. 2.19 С 4 – путь фотосинтеза
ФЕП образуется из пировиноградной или 3-фосфоглицериновой кислоты. В результате β-карбоксилирования ФЕП превращается в четырехуглеродную щавелевоуксусную кислоту:
ФЕП + СО 2 + Н 2 О → ЩУК + Ф н
Фермент, который катализирует присоединение СО 2 к ФЕП – фосфоенолпируваткарбоксилаза – найден сейчас у многих одно- и двудольных растений. Образовавшаяся ЩУК при участии НАДФН (продукта световой реакции фотосинтеза) восстанавливается до яблочной кислоты (малата):
ЩУК + НАДФН + Н + → малат + НАДФ +
Реакция катализируется НАДФ + -зависимой малатдегидрогеназой, локализованной в хлоропластах клеток мезофилла.
У некоторых растений, образовавшаяся ЩУК в процессе восстановительного аминирования с участием аспартатаминотрансферазы преобразуется в аспарагиновую кислоту. В дальнейшем яблочная (или аспаргиновая) кислоты декарбоксилируются, образуется СО 2 и трехуглеродное соединение. СО 2 включается в цикл Кальвина, присоединяясь к рибулозо-5-фосфату, а трехуглеродное соединение используется для регенерации фосфоенолпирувата.
В настоящее время в зависимости от того, какая из органических кислот (малат или аспартат) декарбоксилируется, С 4 -растения делят на два типа: малатный тип (кукуруза, тростник) и аспартатный (сорго и др.) типы.
В свою очередь растения последнего типа подразделяют на две группы: растения, которые используют в реакции НАД-зависимую малатдегидрогеназу и растения, которые используют фосфоенолпируват-карбоксикиназу.
Как отмечалось, С 4 -растения отличаются от С 3 -растений и по анатомии листовой пластины. Фотосинтез идет в клетках обкладки и в клетках мезофилла. Оба типа фотосинтезирующих тканей отличаются по строению хлоропластов. Хлоропласты клеток мезофилла имеют строение, присущее большинству растений: они содержат два типа тилакоидов – тилакоиды гран и тилакоиды стромы (гранальные хлоропласты). Клетки обкладки содержат более крупные хлоропласты, часто наполненные крахмальными зернами и не имеющими гран, т. е. эти хлоропласты содержат только тилакоиды стромы (агранальные).
Считают, что агранальные хлоропласты образуются в процессе онтогенеза листа из обычных гранальных хлоропластов, так как на ранних стадиях развития эти хлоропласты также имеют граны.
Таким образом, для С 4 -растений характерны следующие особенности в строении:
– многочисленные воздушные полости, по которым воздух из атмосферы подходит непосредственно к большому количеству фотосинтезирующих клеток, обеспечивая эффективное поглощение углекислоты;
– слой клеток обкладки сосудистых пучков, плотно упакованных около проводящих пучков;
– клетки мезофилла, которые располагаются менее плотными слоями около клеток обкладки сосудистых пучков;
– большое количество плазмодесм между клетками обкладки сосудистых пучков и клетками мезофилла;
Для малатного типа растений характерен следующий путь фотосинтеза. Гранальные и агранальные хлоропласты отличаются и по характеру проходящих в них реакций фотосинтеза. В клетках мезофилла с мелкими гранальными хлоропластами происходит карбоксилирование ФЕП с образованием ЩУК (первичное карбоксилирование), а затем образуется малат. Малат перемещается в клетки обкладки. Тут малат окисляется и декарбоксилируется с участием малатдегидрогеназы. Образуется СО 2 и пируват. СО 2 используется для карбоксилирования рибулозо-1,5-дифосфата (вторичное карбоксилирование) и таким образом включается С 3 -цикл, который идет в агранальных хлоропластах клеток обкладки. Пируват возвращается в клетки мезофилла, где фосфорилируется за счет АТФ, что приводит к регенерации ФЕП, и цикл замыкается (рис. 2.20).
Рис. 2.20. Фотосинтез С 4 -растений, которые используют в реакциях декарбоксилирования НАДФ-зависимый «яблочный фермент» (малатдегидрогеназа *)
Таким образом, в С 4 -растениях карбоксилирование происходит два раза: в клетках мезофилла и в клетках обкладки.
Что происходит в растениях, в которых из ЩУК образуется аспартат (аспарагиновая кислота)? У тех растений, которые используют для реакций декарбоксилирования НАД-зависимую малатдегидрогеназу, ЩУК трансаминируется под воздействием цитоплазматической аспартаминотрансферазы, которая использует в качестве донора аминогруппы глутаминовой кислоты (ГК-глутаминовая, ОГК-2-оксоглутаминовая кислота) (рис. 2.21).
Рис. 2.21. Фотосинтез С 4 -растений, которые используют в реакциях декарбоксилирования НАД-зависимый «яблочный фермент» (малатдегидрогеназа):
Образовавшаяся АК переходит из цитоплазмы клеток мезофилла в митохондрии клеток обкладки сосудистого пучка, вероятно, через плазмодесмы. Там происходит противоположная реакция трансаминирования, которая приводит к образованию ЩУК. Затем митохондриальная малатдегидрогеназа восстанавливает ЩУК до ЯК. ЯК декарбоксилируется НАД-зависимой малатдегидрогеназой с образованием ПВК и СО 2 .
СО 2 диффундирует из митохондрий в хлоропласты, где включается в цикл Кальвина. ПВК поступает в цитоплазму, где трансаминируется аминотрансферазой и превращается в аланин (АЛ); донором аминогруппы является ГК.
Аланин переносится из цитоплазмы клеток обкладки в цитоплазму клеток мезофилла (вероятно, через плазмодесмы). В дальнейшем он преобразуется в ПВК (аланинаминотрансфераза); акцептором аминогруппы является ОГК (оксаглутаровая кислота). Затем ПВК переходит в хлоропласты мезофилла и превращается в ФЕП.
В С 4 -растениях, использующих в реакции декарбоксилирование фосфоенолпируват-карбоксикиназу, последовательность реакций напоминает предыдущие. Только в этом случае ЩУК декарбоксилируется фосфоенолпируваткарбоксикиназой с образованием СО 2 и ФЕП (рис. 2.22).
Рис. 2.22. Фотосинтез С 4 -растений, использующих в реакции декарбоксилирования фермент фосфоенолпируват-карбрксикиназу*
Внутриклеточная локализация ФЕП-карбоксикиназы и аспартат-аминотрансферазы в этом случае пока неизвестна. Неизвестна и судьба ФЕП; однако, как считают, он превращается в ПВК (эти реакции обозначены вопросительным знаком).
Образовавшийся в ходе реакции СО 2 используется в качестве субстрата в реакциях цикла Кальвина в хлоропластах клеток обкладки сосудистого пучка. Аланин из клеток обкладки пучка превращается в ФЕП в клетках мезофилла листа; это происходит в той же последовательности реакций, что и в предыдущих циклах.
В настоящее время пришли к выводу, что основная функция С 4 -цикла, который идет в клетках мезофилла листа – концентрирование СО 2 для С 3 -цикла. С 4 -цикл является своеобразным насосом – «углекислотной помпой». Находящаяся в мезофильных клетках ФЕП-карбоксилаза очень активна. Она может фиксировать СО 2 , включая его в органические кислоты при более низких концентрациях СО 2 , чем это делает РДФ-карбоксилаза, и активность последней у С 4 -растений небольшая. Благодаря функционированию этой углекислотной помпы у С 4 -растений концентрация СО 2 в клетках обкладки, где идет цикл Кальвина, в несколько раз выше, чем в среде. Это очень важно, так как С 4 -растения живут в условиях повышенных температур, когда растворимость СО 2 значительно ниже.
Кооперация между двумя циклами связана не только с перекачкой СО 2 . Для восстановления ФГК в цикле Кальвина необходимы АТФ и НАДФН. Агранальные хлоропласты клеток обкладки содержат ФС I, поэтому в них происходит только циклическое фотофосфорилирование; это означает, что в этих клетках не восстанавливается НАДФ + . Гранальные хлоропласты мезофильных клеток содержат обе фотосистемы, в них идет циклическое и нециклическое фотофосфорилирование с образованием АТФ и НАДФН.
Когда малат, образованный в мезофильных клетках, поступает в клетки обкладки, то при его декарбоксилировании происходит и окисление, и восстанавливается НАДФ + , необходимый для восстановления ФГК.
Таким образом, С 4 -цикл поставляет в цикл Кальвина и водород для восстановления СО 2 .
Эволюционно С 3 -цикл появился раньше, чем С 4 , он есть у водорослей. В древесных растениях цикла Хетча – Слека нет. Это тоже подтверждает, что этот цикл возник позднее.
В заключение отметим, что, циклы Кальвина и Хетча – Слека действуют не изолированно, а строго координировано. Взаимосвязь этих двух циклов получила название «кооперативного» фотосинтеза.
Путь С4 получил свое название, т.к. в темновой фазе первичным продуктом фиксации СО2 в этом случае является органическое соединение не с тремя, а с четырьмя атомами углерода (щавелевоуксусная кислота). Таким типом фотосинтеза обладают тропические растения жарких стран, например, бромелиевые. Было давно замечено, что эти растения усваивают СО2 намного лучше С3 растений. В анатомической структуре листьев С4-растений, наряду с нормальными обычными хлоропластами, вокруг сосудистых пучков у них имеются особый вид очень плотных хлоропластов почти без тилакоидов, но наполненных крахмалом. Эти хлоропласты назвали обкладочными.
В обычных хлоропластах у С4 растений, как и положено, протекает световая фаза фотосинтеза, а также происходит фиксация СО2 , но при этом образуется щавелевоуксусная кислота. Такая щавелевоуксусная кислота превращается в яблочную, которая поступает в обкладочные хлоропласты, где сразу расщепляется с выделением СО2. А дальше все идет, как и у нормальных С3 растений. При этом концентрация СО2 в обкладочных хлоропластах в результате становится значительно выше, чем у С3 растений, а очень плотное расположение этих хлоропластов обеспечивает то, что кислорода к ним почти не поступает, межклетников-то нет. Поэтому, раз нет кислорода, а углекислого газа сколько хочешь, фотодыхание не наступает.
Таким образом, у С4 растений и фиксация СО2 происходит более эффективно в виде других соединений, и образование сахаров осуществляется в особых хлоропластах, в результате чего сокращается интенсивность фотодыхания и связанных с ним потерь.
С4 растения могут захлопнуть свои устьица в жару, и не терять такой драгоценной влаги. У них обычно накоплено достаточно СО2 в виде яблочной кислоты.
27. Фотодыхание: биохимические реакции, их локализация. Физиологическая роль фотодыхания.
Фотодыхание – это активируемый светом процесс выделения СО2 и поглощения О2. Первичным продуктом фотодыхания является гликолевая кислота. Фотодыхание усиливается при низком содержании СО2 и высокой концентрации О2 в воздухе. В этих условиях рибулозодисфаткарбоксилаза хлоропластов катализирует не карбоксилирование рибулозо-1,5-дифосфата, а его расщепление на 3-фосфоглицериновую и 2-фосфогликолевую кислоты. Последняя дефосфорилируется с образованием гликолевой кислоты.
Гликолевая кислота из хлоропласта переходит в пероксисому, где окисляется до глиоксиловой кислоты. Глиоксиловая кислота аминируется, превращаясь в глицин. Глицин транспортируется в митохондрию, где из двух молекул глицина синтезируется серин и освобождается СО2.
Серин может поступать в пероксисому и передает аминогруппу на пировиноградную кислоту с образованием аланина, а сам превращается в гидроксипировиноградную кислоту. Последняя при участии НАДФН восстанавливается в глицериновую кислоту. Она переходит в хлоропласты, где включается в цикл Кальвина
У растений С4 -типа выделяющийся при фотодыхании углекислый газ реагирует в клетках мезофилла с фосфоэнолпировиноградной кислотой с образованием щавелевоуксусной и яблочной кислот. Яблочная кислота переходит в клетки обкладки, где служит донором СО2. Растения С3-пути характеризуются высокой интенсивностью фотодыхания. Фосфогликолевая кислота через ряд превращений распадается с выделением С02. Таким образом, при фотодыхании часть промежуточных продуктов фотосинтеза теряется за счет выделения С02. Реакции окисления и карбоксилирования конкурируют друг с другом, а осуществление карбоксилазной или оксигеназной функции зависит от содержания 02 и С02
Фотодыхание снижает эффективность фотосинтеза, приводит к потерям ассимилированного углерода, однако имеет некоторое синтетическое значение. На ранних этапах развития жизни, когда в атмосфере было мало кислорода, рубиско заняло ключевую позицию в фотосинтезе, и ее оксигеназная функция не доставляла проблем. По мере увеличения содержания кислорода потери на фотодыхание нарастали, и у ряда растений возникли механизмы активной доставки к месту работы рубиско углекислого газа (см. C4 и CAM-фотосинтез), увеличивающее долю её карбоксилазной активности до 100%.
С3-путь фотосинтеза
Восстановительный пентозофосфатный цикл фиксации CO 2 (С 3 -путь, или цикл Кальвина), открытый американскими учеными Э. Бенсоном и М. Калвином в 1950-е годы, универсален и обнаруживается практически у всех автотрофных организмов. В этом цикле (рис.5) фиксация СО 2 осуществляется на пятиуглеродное соединение рибулезобисфосфат (РуБФ) при участии фермента рибулезобисфосфаткарбоксилазы (РуБФ-карбоксилазы). Первым стабильным продуктом являются две молекулы трехуглеродного соединения 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК), восстанавливаемая затем с использованием АТФ и НАДФН до трехуглеводных сахаров, из которых образуется конечный продукт фотосинтеза -- шестиуглеродная глюкоза. Субстратом ключевого фермента фотосинтетической фиксации СО 2 -- РуБФ-карбоксилазы -- наряду с СО 2 может быть и О 2 . При взаимодействии РуБФ с кислородом реализуется гликолатный, или С 2 -путь, известный как фотодыхание. Большинство наземных растений осуществляют фотосинтез по С 3 -пути. Типичные представители этой группы -- горох, фасоль, конские бобы, шпинат, салат, капуста, пшеница, овес, рожь, ячмень, свекла, подсолнечник, тыква, томаты и другие одно- и двудольные растения.
С4-путь фотосинтеза
У некоторых видов растений (в основном тропических и очень небольшого числа видов из умеренных широт) первыми стабильными соединениями при фиксации СО 2 являются четырехуглеродные органические кислоты -- яблочная и аспарагиновая. Такие растения отличаются видимым отсутствием фотодыхания (или очень низким уровнем), высокой скоростью фиксации СО 2 в расчете на единицу поверхности листа, более высокой общей фотосинтетической продуктивностью, быстрой скоростью роста. Функционально и анатомически в ткани их листьев выделяют 2 типа фотосинтезирующих клеток -- клетки паренхимной обкладки, окружающие проводящие пучки, и клетки мезофилла.
Для всех растений этой группы характерна катализируемая ферментом фосфоенолпируваткарбоксилазой (ФЕП-карбоксилазой) фиксация СО 2 на трехуглеродное соединение фосфоенолпируват (ФЕП) с образованием щавелевоуксусной кислоты, которая далее превращается в яблочную (малат) или аспарагиновую кислоту. Эти реакции протекают в цитоплазме клеток мезофилла листа. С 4 -кислоты затем поступают в клетки обкладки проводящих пучков, где подвергаются декарбоксилированию, а высвободившаяся СО 2 фиксируется через цикл Кальвина. Следовательно, у С 4 -растений фотосинтетический метаболизм углерода пространственно разделен и осуществляется в клетках различного типа, т. е. по «кооперативному механизму», подробно описанному австралийскими исследователями М. Хетчем и К Слэком и советским биохимиком Ю. С. Карпиловым в конце 1960-1970 годов.
В соответствии с первичным механизмом декарбоксилирования С 4 -кислот все С 4 -растения подразделяются на три группы. НАДФ-малатдегидрогеназные растения осуществляют декарбоксилирование малата с помощью фермента НАДФ-малатдегидрогеназы в хлоропластах клеток обкладки проводящих пучков. Типичные представители этой группы -- кукуруза, сахарный тростник, сорго, росичка кроваво-красная и другие злаки. НАД-малатдегидрогеназные растения осуществляют декарбоксилирование малата с помощью митохондриальной НАД-малатдегидрогеназы. Первичным продуктом фиксации углекислоты у них является аспартат. К типичным представителям этой группы принадлежат различные виды амаранта, портулак огородный, просо обыкновенное, бизонья трава, растущая в прериях Северной Америки и др. Фосфоенолпируват-карбоксикиназные растения осуществляют декарбоксилирование аспартата в цитоплазме клеток обкладки проводящих пучков с образованием ФЕП. Типичные представители -- некоторые виды проса, хлориса, бутелуа.
У суккулентных растений, произрастающих в условиях водного дефицита, фиксация СО 2 осуществляется с помощью так называемого САМ-пути (метаболизм кислот по типу растений семейства толстянковых). Первичный продукт фиксации углекислоты (яблочная кислота) образуется у них в темновой период и накапливается в вакуолях клеток листа. В дневное время при закрытых устьицах (которые закрываются для сохранения воды в тканях листа) осуществляется декарбоксилирование этой кислоты, а освобождающаяся СО 2 поступает в цикл Кальвина.
Возникновение С4- и САМ-путей фотоассимиляции СО 2 связано с давлением на высшие наземные растения засушливого климата. С 4 -растения хорошо адаптированы к высокой интенсивности света, повышенным температурам и засухе. Оптимальная температура для осуществления фотосинтеза у них выше, чем у С 3 -растений. С 4 -растения наиболее многочисленны в зонах с высокими температурами. Они более экономно используют воду по сравнению с С 3 -растениями. В настоящее время известно, что все растения с С 4 -фотосинтезом -- цветковые (из 19 семейств:16 -- двудольных и 3 --однодольных). Не обнаружено ни одного семейства, которое бы состояло только из С 4 -растений.
