Fiziologia_rasteny

стояния кислорода, этот процесс нельзя назвать циклическим, поскольку не происходит циклического переноса электронов.

Синтез АТФ

Энергия, выделяемая при движении электронов от Р680 (Å

–0,8) äî Ð700 (Е 0,4 В), используется для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата (фотофосфорилирование).

Существует несколько теорий, разъясняющих механизм фосфорилирования АДФ, сопряженный с работой электрон-транс- портной цепи. Наибольшее признание в настоящее время получи- ла хемиосмотическая теория английского биохимика П. Митчелла (1961), которая впервые была использована А. Ягендорфом (1967) для объяснения процессов фотосинтетического фосфорилирования. Псевдоциклический поток электронов связан с переносом электронов от воды на кислород. Восстановление кислорода может происходить как в ФС I, так и в ФС II. При этом поглощение кислорода может компенсировать его выделение в ходе окисления Н2О. В результате единственным продуктом этого процесса, как и в случае циклического потока электронов, будет АТФ.

Псевдоциклический поток электронов приводит к образованию активных форм кислорода (суперрадикала О2, перекиси водорода), поэтому активация процесса может вызвать нарушения фотосинтетического аппарата. Этот альтернативный транспорт электронов активируется при высоких интенсивностях света в условиях дефицита в хлоропластах окисленного НАДФ .

Опыты А. Ягендорфа состояли в следующем. Изолированные из хлоропластов граны с рН 8 помещали в бу-

ферный раствор с рН 4. После выдерживания в этом растворе в гранах восстанавливалась величина рН, равная 4. Затем граны с рН 4 переносились в буферный раствор с рН 8. Таким образом, на тилакоидных мембранах искусственно создавался градиент протонов, который обычно формируется при фотохимических процессах (внутри тилакоида — рН 4, снаружи — рН 8). В этих условиях после добавления в среду АДФ и Фí в темноте синтезировалось АТФ. Эти эксперименты позволили применить хемиосмоти-

122

Ðèñ. 2.14. Схема эксперимента Ягендорфа

ческую теорию Митчелла для объяснения процессов, происходящих при фотофосфорилировании в хлоропластах (рис. 2.14).

В соответствии с этой теорией пластохинон присоединяет два электрона и два протона со стороны стромы хлоропласта и переносит их через мембрану во внутритилакоидное пространство. Протоны также накапливаются внутри тилакоида и в результате фотоокисления воды.

Благодаря неравномерному распределению протонов по обеим сторонам мембраны создается разность химических потенциалов ионов водорода и возникает электрохимический мембранный потенциал ионов Н ( H ). Í включает две составляющие: концентрационную ( pH i ), возникающую в результате неравномерного разме-

щения ионов Н по обеим сторонам мембраны, и электрическую ( ), которая обусловлена мембранным потенциалом (рис. 2.15).

Энергия рН и используется для обратного транспорта протонов из внутритилакоидного пространства в строму хлоропласта по особым каналам. С обратным транспортом протонов и связано фосфорилирование АДФ. Реакцию катализирует Н -АТФ-синте- таза, состоящая из двух частей: водорастворимой каталитической части, расположенной в строме хлоропласта, и мембранной части. Последняя представляет собой протонный канал, по которому протоны могут возвращаться в строму хлоропласта. Фермент Н -АТФ- синтетаза может синтезировать АТФ, пока двигаются протоны. Протоны двигаются, когда их концентрация во внутритилакоидном пространстве большая. На каждые два электрона, переданных по электрон-транспортной цепи, внутри тилакоида накапливается 4Н . На каждые 3Н , возвращающихся назад в строму хлоропласта, синтезируется одна молекула АТФ.

123

Ðèñ. 2.15. Иллюстрация гипотезы хемиосмотического сопряжения как механизма фотофосфорилирования

Таким образом, конечными продуктами световых реакций фотосинтеза являются НАДФН и АТФ. Эти соединения используются затем соответственно как восстановительная сила и как источ- ник для превращения СО2 в сахар. Этапы, из которых складываются эти превращения, известны под общим названием «темновых реакций» фотосинтеза.

2.8. Темновая фаза

Темновая фаза фотосинтеза — это комплекс ферментативных реакций, во время которых происходит восстановление поглощенного углекислого газа за счет продуктов световой фазы (АТФ и НАДФН). Различают несколько циклов восстановления СО2.

Цикл Кальвина

Этот способ ассимиляции СО2 является основным и присущ всем растениям. Он был расшифрован американскими учеными во главе с М. Кальвином. В 1961 г. М. Кальвину за установление последовательности реакций в этом цикле была присуждена Нобелевская премия.

Этот цикл начинается с присоединения СО2 к акцептору — пятиуглеродному сахару рибулозо-1,5-дифосфату (РДФ). Присоеди-

124

нение СО2 к веществу называется карбоксилированием, а фермент, катализирующий такую реакцию, — карбоксилазой.

В данной реакции карбоксилирование происходит с участием фермента рибулозодифосфаткарбоксилаза (РДФ-карбоксилаза). Это самый распространенный в мире фермент.

Продукт реакции, содержащий шесть атомов углерода, в присутствии воды сразу распадается на две молекулы 3-фосфогли- цериновой кислоты (3-ФГК):

С данной реакции и начинается цикл Кальвина. ФГК является, по современным взглядам, первичным продуктом ассимиляции углерода.

Для дальнейших превращений ФГК необходимы вещества световой фазы фотосинтеза: АТФ и НАДФН. Сначала 3-ФГК фосфорилируется при участии АТФ и образуется 1,3-дифосфогли- цериновая кислота. Реакция катализируется ферментом фосфоглицераткиназой:

Затем происходит восстановление за счет НАДФН и образуется фосфоглицериновый альдегид (ФГА):

125

Суммарный результат второй стадии: восстановление карбоксильной группы кислоты (–СООН) до альдегидной (–СНО).

Процесс превращения катализируется дегидрогеназой фосфоглицеринового альдегида. Дальнейшее превращение фосфоглицеринового альдегида может происходить 4 путями.

ФГА частично с помощью триозофосфатизомеразы превращается в фосфодиоксиацетон (ФДА):

Это первый путь превращения ФГА.

Таким образом в клетку поступают две наипростейшие формы сахаров: альдоза (ФГА) и кетоза (ФДА). Эти трехуглеродные сахара (триозосахара) с присоединенной к ним фосфатной группой содержат больше химической энергии, чем ФГК. Это первые углеводороды, которые образуются при фотосинтезе.

С помощью альдолазы ФДА соединяется с другой молекулой ФГА, и образуется молекула фруктозо-1,6-дифосфата (ФДФ).

Это второй путь превращения ФГА.

Фруктозо-1,6-дифосфат дефосфорилируется и превращается во фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф), что сопровождается накоплением в среде неорганического фосфата. Фруктозо-6-фосфат в дальнейшем может выйти из цикла и использоваться для синтеза запасных форм углеводов: сахарозы, крахмала, других полисахаридов.

126

Однако ФГА (третий путь) может реагировать с эквимолярным количеством Ф-6-Ф, в результате образуются равные количества ксилулозо-5-фосфата и эритрозо-4-фосфата (фермент транскетолаза). Затем эритрозо-4-фосфат реагирует с равным количеством ФДА при участии фермента альдолазы и образуется седагепту- лозо-1,7-дифосфат, который дефосфорилируется до седагептуло- зо-7-фосфата с участием седагептулозодифосфатазы.

Четвертый путь превращения ФГА связан с его реакцией с седагептулозо-7-фосфатом с образованием равных (эквимолярных) количеств рибозо-5-фосфата и ксилулозо-5-фосфата. Ксилу- лозо-5-фосфат эпимеризуется (РФ-эпимераза), а рибозо-5-фосфат изомеризуется (РФ-изомераза) до рибулозо-5-фосфата, последний фосфорилируется за счет АТФ (фермент фосфорибулокиназа) и образуется рибулозо-1,5-дифосфат — первичное соединение цикла Кальвина (акцептор СО2). В этих реакциях тратится еще три молекулы АТФ.

Из приведенных реакций цикла Кальвина видно, что фотосинтез, являясь процессом запасания энергии, для своего существования требует затраты энергии.

127

В цикле Кальвина можно образование фруктозо-6-фосфата представить в виде следующего суммарного выражения:

6ÑÎ2 12НАДФН 12Н 18АТФ 11Н2О фруктозо-6-фосфат 12НАДФ 18АДФ 17Фí.

18 молекул АТФ запасают около 140 ккал и 12 НАДФН около 615 ккал. Следовательно, поглощено около 755 ккал энергии. При этом в гексозах запасается около 670 ккал/моль. При таком балансе КПД составляет около 90 %. Около 10 % энергии растрачивается на поддержание цикла.

АТФ и НАДФН, которые образуются в световой стадии и используются на восстановление СО2, получили название ассимиляционной силы.

Цикл Кальвина подразделяют на три фазы:

карбоксилирующую РДФ СО2 2ÔÃÊ;

восстановительную ФГК ФГА;

регенерирующую ФГА РДФ.

Каждая шестая молекула ФГА выходит из цикла и используется на синтез сахарозы или полисахаров, тогда как остальные пять молекул через приведенные выше промежуточные реакции преобразуются в три молекулы рибулозо-1,5-дифосфата. Так как первичный продукт цикла Кальвина — ФГК — содержит три атома углерода, то этот цикл получил название С3-цикла ассимиляции СО2. Упрощенная схема цикла Кальвина представлена на рис. 2.16.

Последовательность реакций на пути преобразования СО2 в сахар удалось выявить благодаря использованию радиоактивного углерода 14С и хроматографии на бумаге.

Описанный цикл восстановления СО2 до сахаров локализован в хлоропластах, так же как и биосинтез крахмала из образованных в них гексозофосфатов. «Главный» же по количеству сахар, запасенный в растительной клетке, — сахароза — синтезируется уже вне хлоропласта: в слое цитоплазмы, прилегающем к наружной мембране этой органеллы. Сахароза синтезируется из Ф-6-Ф, образованной из ФГА и ФДА, которые в отличие от других сахаров цикла (пентоз и гексоз) легко транспортируются через мембраны хлоропластов.

Скорость цикла Кальвина зависит не только от количества образованных в световой стадии АТФ и НАДФН, но и от их соотношений. Только соотношение 3АТФ и 2НАДФН обеспечивает активное восстановление углерода и запасание энергии.

128

Ðèñ. 2.16. Упрощенная схема цикла Кальвина

Когда степень сопряжения работы ЭТЦ фотосинтеза с фотофосфорилированием мала, тогда интенсивность фотосинтеза может снизиться за счет уменьшения количества рибулозо-1,5-ди- фосфата, так как в этом случае будет лимитироваться фосфорилирование рибулозо-5-фосфата.

В цикле при недостатке АТФ и НАДФН уменьшается возможность восстановления ФГК до триоз и поэтому одновременно со снижением интенсивности фотосинтеза среди ассимилятов (продуктов фотосинтеза) клетки увеличивается часть неуглеродных соединений. Такое явление характерно, например, для растений, выращенных при слабом освещении.

Цикл Хетча — Слэка — Карпилова

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, основная часть ме- ченного углерода (14ÑÎ2) уже после нескольких секунд фотосинтеза обнаруживается не в фосфоглицериновой кислоте, а в щавеле-

129

во-уксусной (ЩУК), яблочной (ЯК) и аспарагиновой (АК) кислотах. В этих кислотах можно обнаружить в первые секунды до 90 % поглощенного 14ÑÎ2. Через 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 прежде всего в ФГК.

Это открытие положило начало серии исследований, в результате которых подробно был изучен механизм превращения углерода в фотосинтезе в С4-растениях.

Как отмечалось, С4-растения отличаются от С3-растений и по анатомии листовой пластинки (см. рис. 2.2). 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 имеющие 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.

Для клеток листа С4-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;

содержание как гранальных, так и агранальных хлоропластов, которые отличаются и по характеру проходящих в них реакций фотосинтеза.

Акцептором углекислого газа в С4-растениях является фосфоенолпировиноградная кислота (ФЕП).

130

ФЕП образуется из пировиноградной или 3-фосфоглицерино- вой кислоты. В результате -карбоксилирования ФЕП превращается в четырехуглеродную щавелево-уксусную кислоту:

ÔÅÏ ÑÎ2 Í2Î ÙÓÊ Ôí.

Фермент, который катализирует присоединение СО2 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 (АК). В дальнейшем яблочная (ЯК) или аспарагиновая кислоты декарбоксилируются, образуется СО2 и трехуглеродное соединение — пируват. СО2 включается в цикл Кальвина, присоединяясь к рибуло- зо-5-фосфату, а трехуглеродное соединение используется для регенерации фосфоенолпирувата.

В настоящее время в зависимости от того, какая из органиче- ских кислот (малат или аспартат) декарбоксилируется, С4-рас- тения делят на два типа: малатный (кукуруза, тростник) и аспартатный (сорго и др.).

Растения последнего типа подразделяют на две группы: растения, используемые в реакции НАД-зависимую малатдегидрогеназу (например, просо южное), и растения, которые используют фосфоенолпируваткарбоксикиназу (просо крупное).

Для малатного типа растений характерен следующий путь фотосинтеза. В клетках мезофилла с мелкими гранальными хлоропластами происходит карбоксилирование ФЕП с образованием ЩУК (первичное карбоксилирование), а затем образуется малат. Малат через плазмодесмы перемещается в клетки обкладки. Тут малат окисляется и декарбоксилируется с участием малатдегидрогеназы. Образуется СО2 и пируват. СО2 используется для карбоксилирования рибулозо-1,5-дифосфата (вторичное карбоксилирование) и таким образом включается в С3-цикл, который идет в агранальных хлоропластах клеток обкладки. Пируват возвращается в клетки мезофилла, где фосфорилируется за счет

131