ФР №3
.docxОсновные пути метаболизма СО2 в фотосинтезе
Цикл Кальвина
Этот способ ассимиляции СО2 является основным и присущ всем расте-ниям. Он был расшифрован американскими учеными во главе с М. Кальви-ном. В 1961 г. М. Кальвину за установление последовательности реакций в этом цикле была присуждена Нобелевская премия.
Цикл Кальвина подразделяют на три фазы: •карбоксилирующую РДФ + СО2 -» 2ФГК; •восстановительную ФГК -» ФГА; •регенерирующую ФГА -» РДФ.
Таким образом, цикл начинается с присоединения СО2 к акцептору — пятиуглеродному сахару рибулозо-1,5-дифосфату (РДФ). Присоединение СО2 к веществу называется карбоксилированием, а фермент, катализирую-щий такую реакцию, — карбоксилазой. В данной реакции карбоксилирова-ние происходит с участием фермента рибулозодифосфаткарбоксилаза (РДФ-карбоксилаза). Продукт реакции, содержащий шесть атомов углерода, в при-сутствии воды сразу распадается на две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (ФГК).
В цикле Кальвина можно образование фруктозо-6-фосфата представить в виде следующего суммарного выражения:
+
Цикл Кальвина — основной, но не единственный путь восстановления СО2. Так, советский ученый Ю. Карпилов и австралийские ученые М. Хетч и К. Слэк выявили, что у некоторых растений, главным образом тропических и субтропических, таких как кукуруза, сахарный тростник, сорго и другие, ос-новная часть меченного углерода (14СО2) уже после нескольких секунд фото-синтеза обнаруживается не в фосфоглицериновой кислоте, а в щавелево-уксусной (ЩУК), яблочной (ЯК) и аспарагиновой (АК) кислотах. В этих кис-лотах можно обнаружить в первые секунды до 90% поглощенного 14СО2. Че-рез 5—10 минут метка появлялась в фосфоглицериновой кислоте, а затем в фосфоглицериновых сахарах. Так как эти органические кислоты содержат по четыре атома углерода, то такие растения начали называть С4-растениями в отличие от С3-растений, в которых радиоуглеродная метка появляется преж-де всего в ФГК.
Это открытие положило начало серии исследований, в результате кото-рых подробно был изучен механизм превращения углерода в фотосинтезе в С4-растениях.
Акцептором углекислого газа в С4-растениях является фосфоенолпиро-виноградная кислота (ФЕП).
ФЕП образуется из пировиноградной или 3-фосфоглицериновой кисло-ты. В результате β-карбоксилирования ФЕП превращается в четырехугле-родную щавелево-уксусную кислоту:
ФЕП + СО2 + Н2О -> ЩУК + Фн.
Фермент, который катализирует присоединение СО2 к ФЕП, — фосфое-нолпируваткарбоксилаза — найден сейчас у многих одно- и двудольных рас-тений. Образовавшаяся ЩУК при участии НАДФН (продукта световой реак-ции фотосинтеза) восстанавливается до яблочной кислоты (малата):
ЩУК + НАДФН + Н+ -> малат + НАДФ+.
Реакция катализируется НАДФ+-зависимой малатдегидрогеназой, лока-лизованной в хлоропластах клеток мезофилла.
У некоторых растений образовавшаяся ЩУК в процессе вос-становительного аминирования с участием аспартатаминотрансферазы пре-образуется в аспарагиновую кислоту (АК). В дальнейшем яблочная (ЯК) или аспарагиновая кислоты декарбоксилируются, образуется СО2 и трехуглерод-ное соединение — пируват. СО2 включается в цикл Кальвина, присоединяясь к рибулозо-5-фосфату, а трехуглеродное соединение используется для реге-нерации фосфоенолпирувата.
В настоящее время в зависимости от того, какая из органических кислот (малат или аспартат) декарбоксилируется, С4-растения делят на два типа: ма-латный (кукуруза, тростник) и аспартатный (сорго и др.).
Растения последнего типа подразделяют на две группы: растения, ис-пользуемые в реакции НАД-зависимую малатдегидрогеназу (например, про-со южное), и растения, которые используют фосфоенолпируваткарбоксики-назу (просо крупное).
Для малатного типа растений характерен следующий путь фотосинтеза. В клетках мезофилла с мелкими гранальными хлоропластами происходит карбоксилирование ФЕП с образованием ЩУК (первичное карбоксилирова-ние), а затем образуется малат. Малат через плазмодесмы перемещается в клетки обкладки. Тут малат окисляется и декарбоксилируется с участием ма-латдегидрогеназы. Образуется СО2 и пируват. СО2 используется для кар-боксилирования рибулозо-1,5-дифосфата (вторичное карбоксилирование) и таким образом включается в С3-цикл, который идет в агранальных хлоропла-стах клеток обкладки. Пируват возвращается в клетки мезофилла, где фосфо рилируется за счет АТФ, что приводит к регенерации ФЕП, и цикл замыкает-ся.
Таким образом, в С4-растениях карбоксилирование происходит два раза: в клетках мезофилла и в клетках обкладки
У тех растений, которые используют для реакций декарбоксилирования НАД-зависимую малатдегидрогеназу, ЩУК трансаминируется под воздей-ствием цитоплазматической аспартатаминотрансферазы, которая использует в качестве донора аминогруппы глутаминовой кислоты (ГК — глутаминовая, ОГК — оксоглутаровая кислоты) .
Образовавшаяся АК переходит из цитоплазмы клеток мезофилла в ми-тохондрии клеток обкладки сосудистого пучка через плазмодесмы. Там про-исходит противоположная реакция трансаминирования, приводящая к обра-зованию ЩУК. Затем митохондриальная малатдегидрогеназа восстанавлива-ет ЩУК до ЯК. ЯК декарбоксилируется НАД-зависимой малатдегидрогена-зой с образованием ПВК и СО2.
СО2 диффундирует из митохондрий в хлоропласты, где включается в цикл Кальвина. ПВК поступает в цитоплазму, где трансаминируется амино-трансферазой и превращается в аланин (АЛ); донором аминогруппы является ГК.
АЛ переносится из цитоплазмы клеток обкладки через плазмодесмы в цитоплазму клеток мезофилла. В дальнейшем он преобразуется в ПВК (ала-нинаминотрансфераза); акцептором аминогруппы является ОГК. Затем ПВК переходит в хлоропласты мезофилла и превращается в ФЕП.
В С4-растениях, использующих в реакции декарбоксилирования фосфо-енолпируваткарбоксикиназу, последовательность реакций напоминает предыдущие. Только в этом случае ЩУК декарбоксилируется ферментом фосфоенолпируваткарбоксикиназой с образованием СО2 и ФЕП.
Внутриклеточная локализация ФЕП-карбоксикиназы и аспартатамино-трансферазы в этом случае пока неизвестна. Однако считают, что ФЕП пре-вращается в ПВК.
Образовавшийся в ходе реакции СО2 используется в качестве субстрата в реакциях цикла Кальвина в хлоропластах клеток обкладки сосудистого пучка. Аланин из клеток обкладки пучка превращается в ФЕП в клетках ме-зофилла листа; это происходит в той же последовательности реакций, что и в предыдущих циклах.
В настоящее время пришли к выводу, что основная функция С4-цикла, который идет в клетках мезофилла листа, — концентрирование СО2 для С3-цикла. С4-цикл является своеобразным насосом — «углекислотной помпой». Находящаяся в мезофилльных клетках ФЕП-карбоксилаза очень активна. Она может фиксировать СО2, включая его в органические кислоты при более низких концентрациях СО2, чем это делает РДФ-карбоксилаза, и активность последней у С4-растений небольшая. Благодаря функционированию этой уг-лекислотной помпы у С4-растений концентрация СО2 в клетках обкладки, где идет цикл Кальвина, в несколько раз выше, чем в среде. Это важно, так как С4-растения живут в условиях повышенных температур, когда растворимость СО2 значительно ниже.
Кооперация между двумя циклами связана не только с перекачкой СО2. 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 мезо-филльных клеток содержат обе фотосистемы, в них идет циклическое и не-циклическое фотофосфорилирование с образовaнием АТФ и НАДФН.
Когда малат, образованный в мезофилльных клетках, поступает в клетки обкладки, то при его декарбоксилировании происходит и окисление, и вос-становление НАДФ+.
Таким образом, С4-цикл поставляет в цикл Кальвина и водород для вос-становления СО2.
Эволюционно С3-цикл появился раньше, чем С4, поскольку он есть у во-дорослей. У древесных растений С4-цикла нет. Это тоже подтверждает, что этот цикл возник позднее.
В заключение отметим, что циклы Кальвина и Хетча-Слека-Карпилова действуют не изолированно, а строго координированно. Взаимосвязь этих двух циклов получила название «кооперативного» фотосинтеза.