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.

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%.

С4-растения (С4 plants) - растения, у которых третий этап фотосинтеза протекает с присоединением углекислого газа не к рибулозодифосфату (как у С3-растений), а к трехуглеродному соединению - фосфоенолпировиноградной кислоте, что приводит к образованию четырехуглеродного (С4) соединения - щавелево-уксусной кислоты. К этому типу относятся такие растения, как кукуруза и некоторые другие злаки, преимущественно тропических и субтропических растений (сахарный тростник, сорго)

С3-растения (C3 plants) [англ. c(arbon) - углерод, от лат. carbo - уголь] - растения, у которых третий этап фотосинтеза протекает с участием цикла Кальвина (восстановительный пентозофосфатный цикл, при котором первым продуктом является трехуглеродное (С3) соединение - фосфоглицериновая кислота). К этому типу относится большинство растений.

Физиолого-биохимичсекие различия между С3- и С4-растениями.

У большинства растений первым продуктом фотосинтеза является фосфоглицериновая кислота, содержащая 3 атома водорода. Такие растения называются С3-растениями. Однако уже давно было обнаружено, что у некоторых растений первым продуктом фотосинтеза являются органические кислоты не с тремя, а с четырьмя атомами углерода – щавелевоуксусная и яблочная (малат). Такие растения называются С4-растениями, к ним относятся многие тропические и субтропические растения, в т.ч. некоторые важные культурные виды – сахарный тростник, просо, сорго и кукуруза.

С4-растения имеют характерную особенность в строении листа: у них проводящие пучки окружены 2 кольцами клеток – внешним и внутренним. Внешнее кольцо состоит из обычных клеток мезофилла, а внутреннее – из 222b14hc специализированных клеток, которые называются клетками обкладки проводящего пучка. Клетки обкладки похожи на клетки мезофилла, но отличаются от них строением хлоропластов: в их хлоропластах очень слабо развита система внутренних мембран и содержится очень мало хлорофилла, поэтому хлоропласты клеток обкладки бледно-зеленые. Такое строение листа у С4-растений называется кранц-анатомией («кранц» в переводе означает корона или ореол).

Биохимические различия между С4- и С3-растениями.

Внешние различия между С3- и С4-растениями обусловлены тем, что у них фотосинтез идет по-разному. У С3-растений в одном и том же хлоропласте фиксируется СО 2 , образуется водород и АТФ, а затем в ходе темновой фазы эти вещества используются для синтеза органических веществ. У С4-растений эти процессы разделены в пространстве: АТФ, водород и СО 2 накапливаются в хлоропластах клеток мезофилла, а оттуда транспортируются в хлоропласты клеток проводящего пучка, где из них синтезируются органические вещества. Такой транспорт называется путем Хетча-Слека. У С4-растений между световой и темновой фазами происходит еще 3 стадии фотосинтеза.

13.Методы учета фотосинтеза: качественные и количественные.

Опишем в самых кратких чертах методы определения фотосинтеза. Эти методы могут быть разбиты на две категории:

1.методы, связанные с учетом органических продуктов фотосин­теза;

2.газометрические методы, учитывающие выделение кислорода или поглощение углекислоты.

Как первые, так и вторые могут быть качествен­ного, сравнительного и количественного характера. Из качественных мето­дов мы уже знаем крахмальную пробу. Ее можно произвести не только микроскопически, но и макроскопически. Для этого берут обескрахмаленный лист и выставляют его на свет, закрывши часть листа темной бумагой или станиолью. В тех местах, которые не были закрыты бумагой, образуется крахмал. Последнее легко доказать, обесцвечивая лист спир­том и действуя на него раствором йода в йодистом калии.

Работа по методу половинок возможна только с крупными и симметричными листьями. От листа вдоль по средней жилке срезается по­ловинка. Из нее шаблоном вырезается определенная площадь и высушивает­ся до сухого веса при 105 °C. Вторая половинка листа оставляется на расте­нии на свету в течение нескольких часов. После этого с нею поступают так же, как и с первой. Кроме того, в опыте должен быть и второй лист, у ко­торого оставляется на несколько часов закрытая темной бумагой половин­ка для учета оттока углеводов из листа и его дыхания. Привес взятой поло­винки первого листа с прибавленной к нему убылью второй и даст нам ве­личину фотосинтеза. Ее обычно вычисляют на 1 дм2 площади листа за один час.

Из методов, основанных на изучении другой стороны фотосинтеза, а имен­но учитывающих газообмен, следует отметить качественный метод учета выделившегося кислорода. Водное расте­ние, например элодея, выставляется на свет, и выделяющийся кислород со­бирается в наполненную водой пробирку (рис. 102). Когда кислорода соби­рается достаточное количество, вынимают пробирку и вносят в нее тлеющую лучинку. Лучинка вспыхивает.

Сравнительный метод счета пузырьков также прово­дится с водным растением элодеей. Для этого устанавливают ветку элодеи в пробирке таким образом, чтобы ее конус нарастания был обращен вниз, а срез стебля вверх. Из среза стебля выделяются пузырьки кислорода, число которых и подсчитывается за одну минуту. Используя этот метод, можно выяснить относительную интенсивность процесса фотосинтеза в зависи­мости от температуры и качества света.

Количественные газометрические методы по учету фотосинтеза много­образны. Остановимся лишь на одном, который дает возможность изучать процесс в естественной обстановке (рис. 103). Не отрывая от растения лист, его заключают в стеклянную камеру, сквозь которую просасывается воздух при помощи аспиратора. Воздух с оставшейся после фотосинтеза углекис­лотой проходит через специальную трубку с налитым в нее раствором бари­та (едкий барий), поглощающим оставшуюся углекислоту воздуха. Перед входом в трубку небольшой продырявленной пластинкой воздух разбивает­ся на мелкие пузырьки, которые, проходя через раствор барита, отдают раст­вору находящуюся в них углекислоту. После окончания опыта раствор ба­рита титруют кислотой. Чем больше поглотилось углекислого газа зеленым листом, тем больше кислоты пойдет на титрование, так как при этом будет образовываться меньшее количество углекислого бария. Параллельно ста­вится вторая трубка, через которую пропускается воздух, чтобы определить в нем содержание углекислоты и выяснить количество углекислоты, поглощенной зеленым листом. Метод этот хорош тем, что дает возможность определить фотосинтез в природной обстановке при нормальном содержании углекислоты в воздухе. Недостатком его являются искусственные условия в камере, приводящие нередко к перегреву листа. При перегреве нормаль­ный ход фотосинтеза изменяется, так как интенсивность процесса при этом сильно падает.

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.



Альтернативные пути фотосинтеза.

С 3- путь оказался не единственным в превращении Со 2 а превращении в темновой фазе. Изменение внешних условий климата и состава ат мосферы в разных участках Земли, вызвали появление континентов с жарким и засушливым климатом (пустыни), что не могло не сказаться на растительном мире. Видовая специфичность несомненно является отражением факта своеобразия физиологического типа каждого вида растения. C 50 годов обратили внимание на процессы фотосинтеза, дыхания, транспирации, транспорта веществ. Оказалось, что условия среды определяют структурно-биохимические типы фотосинтеза растений.

Вначале 60 годов 20 века было установлено, что у некоторых растений произрастающих в тропиках или вышедших оттуда, как кукуруза, сахарный тростник, сорго, просо, представители семейства маревых растений полупустыни и пустыни, всего у 18 семейств. Такие растения встречаются как различных семействах, так и родах, но нет ни одного семейства, рода, состоящих только из С 4- растений. Первые продукты ассимиляции СО 2 здесь имеют 4 атома углерода, поэтому такие растения называют "С4-растениями". У этих растений стабильным первичным продуктом ассимилируемой СО 2, является не ФГК, а яблочная, а у ряда растений аспарагиновая кислота, содержащих не 3 , а 4 углеродных атома., в которых была обнаружена радиоактивная метка 14 СО 2 (Ю.С. Карпилов, 1960,1969; М.Д. Хэтч и С.Р. Слэк, 1966). Так был открыт по существу новый путь ассимиляции СО 2, которой получил название «С 4 – пути» фотосинтеза.

У таких растений специфичное анатомическое строение листа. У них два типа фотосинтезирующих клеток: клетки обкладки, радиально покрывающие проводящие пучки в листе, и клетки мезофилла столбчатой и губчатой ткани. Это может служить диагностическим признаком на определение С 4 -растений. В структуре этих клеток также есть различия: в клетках обкладках в хлоропластах отсутствуют граны, они агранальные, а в клетках мезофилла все хлоропласты гранальные. Эти два типа клеток и физиологически не равноценны и специализируются на выполнении различных звеньев в превращении поглощенного СО 2

Клетки обкладки выполняют основную функцию, в них происходит цикл Кальвина, в том виде как он происходит у растений с С 3 –путем фотосинтеза, т.е. весь процесс превращения углекислого газа всех этапов цикла Кальвина. Клетки мезофилла листа осуществляют вспомогательную роль, подкачку СО 2 для цикла Кальвина. Таким образом у растений с С 4 –путем. имеется две стадии, происходящих в разных клетках листа. На один агранальный хлоропласт клетки обкладки приходится 10 гранальных клеток мезофилла, в которых происходит нециклический путь фотофосфорилирования. Это обеспечивает повышение фотосинтеза даже в условиях очень высокой температуры и почти закрытых устьицах, что имеет положительное значение и для водного режима растений, т.к снижается расход воды. Оба процесса пространственно разобщены, т.е усвоение СО 2 идет в клетках мезофилла, а образование сахаров и регенерация акцептора в клетках обкладках. Но эти два процесса идут одновременно, на свету.

Первая реакция цикл С 4 - пути фотосинтеза протекает в мезофилле листа, в котором акцептором углекислого газа является фосфоэнол-пировиноградная кислота (ФЭП). В этих клетках очень активна ФЭП-карбоксилаза, интенсивно связывающая СО 2 в органическое соединение (рис.)

Фотосинтетический цикл С 4 –пути фотосинтеза

ФЕП - фосфоенолпировиноградная кислота;

ЩУК - щавелевоуксусная кислота;

ЯК - яблочная кислота;

ПВК - пировиноградная кислота;

РБФ - рибулозо-1,5-бифосфат;

3-ФГК - фосфоглицериновая кислота;

ФГА - фосфоглицериновый альдегид

Реакции идут следующим путем. В клетках мезофилла листа происходит карбоксилирование ФЭП ферментов ФЭП-карбоксилаза с образованием ЩУК щавелево-уксусной кислоты: ФЭП + СО 2 + Н 2 О → ЩУК Это нестабильное вещество стабилизируется здесь же за счет НАДФН с образованием яблочной кислоты (малат), 4-х углеродного соединения: ЩУК + НАДФН → ЯК. У ряда растений вместо ЯК, образуется аспарагиновая кислота (АК) для чего в клетках необходим аммиак: ЩУК + NH 4 + НАДФН → АК. Эти две кислоты в одном и том же растении образовываться не могут, поэтому такие растения называю малатными или аспартатными.. Второй этап заключается в том, что малат переходит в клетки обкладки сосудистого пучка, где в результате его окислительного декарбоксилирования образуются СО 2 и НАДФН для цикла Кальвина. Получаемый при этом пируват (ПВК) возвращается в клетки мезофилла фосфорилируется, в фосфоенолпируват, первичный акцептор СО 2, и С4-путь замыкается. Освободивщаяся СО 2 идет на второе карбоксилирование уже РДФ цикла Кальвина с образованием углеводов.в клетах обкладках. Двойное карбоксилирование обеспечивает усвоение CO 2 более интенсивно, чем при С 3 – пути, поэтому его называют кооперативным. Двоное карбоксиливание намного эффективнее и обеспечивает интенсивный фотосинтез при пониженном содержании СО 2 . Так если у С 3 растений фотосинтез снижается ниже 0,03%, то у С 4 – идет полноценно при 0,008%. Появление альтернативного пути С 4 растений считают как процесс эволюции приспособления с пониженному содержания в атмосфере СО 2 и увеличения О 2 , за с чет самих же растений, чем в период их возникновения. Поэтому у этих растений большие преимущества перед С 3 – путем.