Fiziologia_rasteny

АТФ, что приводит к регенерации ФЕП, и цикл замыкается (рис. 2.17).

Таким образом, в С4-растениях карбоксилирование происходит два раза: в клетках мезофилла и в клетках обкладки.

Ðèñ. 2.16. Фотосинтез С4-растений, которые используют в реакциях декарбоксилирования НАДФ-зависимый «яблочный фермент» (малатдегидрогеназа*)

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 цитоплазмати- ческой аспартатаминотрансферазы, которая использует в качестве донора аминогруппы глутаминовой кислоты (ГК — глутаминовая, ОГК — оксоглутаровая кислоты) (рис. 2.18).

Образовавшаяся АК переходит из цитоплазмы клеток мезофилла в митохондрии клеток обкладки сосудистого пучка через плазмодесмы. Там происходит противоположная реакция трансаминирования, приводящая к образованию ЩУК. Затем митохондриальная малатдегидрогеназа восстанавливает ЩУК до ЯК. ЯК декарбоксилируется НАД-зависимой малатдегидрогеназой с образованием ПВК и СО2.

ÑÎ2 диффундирует из митохондрий в хлоропласты, где вклю- чается в цикл Кальвина. ПВК поступает в цитоплазму, где трансаминируется аминотрансферазой и превращается в аланин (АЛ); донором аминогруппы является ГК.

132

АЛ переносится из цитоплазмы клеток обкладки через плазмодесмы в цитоплазму клеток мезофилла. В дальнейшем он преобразуется в ПВК (аланинаминотрансфераза); акцептором аминогруппы является ОГК. Затем ПВК переходит в хлоропласты мезофилла и превращается в ФЕП.

Ðèñ. 2.18. Фотосинтез С4-растений, которые используют в реакциях декарбоксилирования НАД-зависимый «яблочный фермент» (малатдегидрогеназа):

*— аспартатаминотрансфераза; ** — малатдегидрогеназа;

— аланинаминотрансфераза; цК — цикл Кальвина

ÂÑ4-растениях, использующих в реакции декарбоксилирования фосфоенолпируваткарбоксикиназу, последовательность реакций напоминает предыдущие. Только в этом случае ЩУК декарбоксилируется ферментом фосфоенолпируваткарбоксикиназой с

образованием СО2 è ÔÅÏ (ðèñ. 2.19).

Внутриклеточная локализация ФЕП-карбоксикиназы и аспартатаминотрансферазы в этом случае пока неизвестна. Однако счи- тают, что ФЕП превращается 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 мезофилла листа; это происходит в той же последовательности реакций, что и в предыдущих циклах.

Âнастоящее время пришли к выводу, что основная функция

Ñ4-цикла, который идет в клетках мезофилла листа, — концентрирование СО2 äëÿ Ñ3-цикла. С4-цикл является своеобразным насосом — «углекислотной помпой». Находящаяся в мезофилльных клетках

133

Ðèñ. 2.19. Фотосинтез С4-растений, использующих в реакции

декарбоксилирования фермент фосфоенолпируваткарбоксикиназу*

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 углекислотной 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 перекач- кой 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 мезофилльных клеток содержат обе фотосистемы, в них идет циклическое и нециклическое фотофосфорилирование с образованием АТФ и НАДФН.

Когда малат, образованный в мезофилльных клетках, поступает в клетки обкладки, то при его декарбоксилировании происходит и окисление, и восстановление НАДФ .

Таким образом, С4-цикл поставляет в цикл Кальвина и водород для восстановления СО2.

Эволюционно С3-цикл появился раньше, чем С4, поскольку он есть у водорослей. У древесных растений С4-цикла нет. Это тоже подтверждает, что этот цикл возник позднее.

134

В заключение отметим, что циклы Кальвина и Хетча — Слека — Карпилова действуют не изолированно, а строго координированно. Взаимосвязь этих двух циклов получила название «кооперативного» фотосинтеза.

Кислотный метаболизм толстянковых (КМТ, или САМ-цикл)

Мы упоминали, что есть растения-суккуленты, у которых устьица закрыты днем для уменьшения транспирации. Эта особенность влияет и на фотосинтез. Эти растения поглощают большие количе- ства углекислого газа ночью, когда устьица широко открыты. Поглощенный СО2 используется, как и у С4-растений, для карбоксилирования ФЕП. При этом образуется ЩУК (фермент ФЕП-кар- боксилаза содержится в цитоплазме). ЩУК восстанавливается до малата (НАД-зависимая малатдегидрогеназа). Малат накапливается в вакуоли, поэтому ночью вакуолярный сок становится более кислым. В следующее утро малат из вакуоли транспортируется в цитоплазму. Тут происходит его окислительное декарбоксилирование при помощи НАДФ-зависимой малатдегидрогеназы, что приводит к образованию пирувата и СО2 и восстановлению НАДФ . СО2 и НАДФН используются в цикле Кальвина, который происходит в хлоропластах, а ПВК фосфорилируется с образованием ФЕП. Последний в результате ряда превращений дает ФГК, которая может также поступать в цикл Кальвина и служит источником для образования сахарозы и крахмала (рис. 2.20).

ФЕП, необходимый для акцептирования СО2, образуется но- чью в процессе гликолиза.

Следовательно, днем в хлоропластах идет обычный С3-цикл. По мере расходования кислот, накопленных в вакуоли, величина рН в вакуоли снова увеличивается. Для суккулентов — растений сухих мест — разделение во времени ночной фиксации СО2 и переработки СО2 на следующий день выгодно. Это позволяет им осуществлять фотосинтез при закрытых устьицах и одновременно уменьшать транспирацию.

Таким образом, можно отметить, что для САМ-растений характерны следующие особенности:

устьица обычно открыты ночью (в темноте) и закрыты на протяжении дня. Такое состояние устьиц противоположно тому, что характерно для других растений;

фиксация СО2 происходит в темный час суток в содержащих хлоропласты клетках фотосинтезирующих тканей листа или стебля, причем синтезируется значительное количество свободной ЯК;

135

Ðèñ. 2.20. Кислотный метаболизм толстянковых

ЯК накапливается в больших вакуолях, которые характерны для клеток этих растений;

на свету ЯК декарбоксилируется и освободившийся СО2 превращается за счет энергии света в сахарозу и запасной глюкан (например, крахмал) в световых реакциях фотосинтеза

Ñ3-типа;в последующий темновой период часть запасенного глюкана

разрушается с образованием молекул-акцепторов для темновой реакции фиксации СО2.

Следовательно, в тканях САМ-растений существует суточный цикл: ночью содержание запасенного глюкана падает и содержание яблочной кислоты повышается, а днем происходят противоположные изменения. Следовательно, реакции разделены во времени, а у растений С4-типа процессы разделены в пространстве (рис. 2.21).

Ñ4- и САМ-типы фиксацин СО2 являются дополнительными, облегчающими функционирование цикла Кальвина в растениях, которые приспособились к жизни в условиях повышенных температур (сахарный тростник, сорго, кукуруза и др.) или недостатка влаги (суккуленты).

136

Ðèñ. 2.21. Схема разделения во времени и пространстве фотосинтеза

óрастений С4- è ÑÀÌ-òèïà

Âзаключение можно дать следующую характеристику процесса фотосинтеза:

сущность фотосинтеза состоит в фотоокислении воды с вы-

делением кислорода и использованием водорода на восстановление СО2 с образованием органических веществ;

фотосинтез состоит из двух фаз: световой и темновой;

энергия поглощенного света используется для движения электронов против градиента окислительно-восстановительного потенциала;

транспорт электронов сопряжен с синтезом АТФ;

световая стадия происходит в тилакоидах стромы и гран, а темновая — в строме хлоропластов, т. е. для световой стадии необходимы мембраны.

2.9. Фотодыхание

Путь восстановления СО2 при фотосинтезе М. Кальвин изучал при относительно высоких концентрациях углекислого газа. При более низких концентрациях СО2, приближающихся к атмосферным (0,045 %), в хлоропласте образуется значительное количество фосфогликолевой кислоты. Это связано с тем, что в условиях низкого парциального давления СО2 и высокого парциального давления О2 РДФ-карбоксилаза может присоединять к рибулозо- 1,5-дифосфату кислород; это значит, что она может выполнять не только карбоксилирующую, но и оксигенерирующую функции. Присоединение кислорода к молекуле рибулозодифосфата приво-

137

дит к тому, что вместо двух молекул ФГК образуется одна молекула ФГК и одна молекула фосфогликолата. Последняя во время транспорта через мембрану хлоропласта дефосфорилируется при участии фосфогликолатфосфатазы и превращается в гликолат, который поступает в специальную органеллу — пероксисому (рис. 2.22).

В последней содержится каталаза — фермент, разлагающий перекись. В пероксисоме гликолат вступает в реакцию с кислородом воздуха, в результате образуются глиоксилат и перекись водорода. Реакцию катализирует гликолатоксидаза.

Перекись сразу разрушается каталазой на воду и кислород, а глиоксилат в результате реакции трансаминирования, которая

Ðèñ. 2.22. Реакции фотодыхания

138

проходит при участии глиоксилатглицинаминотрансферазы, превращается в глицин, который перемещается в митохондрию. Тут из двух молекул глицина при участии серинглиоксилатаминотрансферазы синтезируется одна молекула серина, образуются СО2, аммиак и восстанавливается НАД . СО2 или выделяется в атмосферу, это значит, теряется для растения, или вновь может связаться в С3-цикле.

Предполагают, что образующийся НАДН может быть связан с электрон-транспортной цепью дыхания, что приводит к синтезу АТФ при его окислении.

Серин из митохондрий транспортируется вновь в пероксисому, где после дезаминирования превращается в оксипируват, который потом восстанавливается при участии глиоксилатредуктазы в глицерат за счет НАДН. Глицерат транспортируется в хлоропласт, где фосфорилируется за счет АТФ в присутствии глицераткиназы с образованием ФГК. ФГК — конечный продукт этого цикла — может поступать в С3-цикл. Цикл превращения гликолата в триозофосфат называется гликолатным. Образовавшийся аммиак не выделяется в окружающую среду, а связывается в виде глутамата.

Так как образуются кислоты, содержащие два атома углерода, то этот цикл получил название С2-цикла. С другой стороны, так как во время этих превращений происходит поглощение кислорода и выделение СО2, то этот процесс получил название фотодыхания.

Фотодыхание (или световое дыхание) — индуцированное светом поглощение О2 и выделение СО2, которое наблюдается в зеленых клетках. Интенсивность фотодыхания увеличивается при повышении освещенности.

Хотя органеллой фотодыхания считается пероксисома, в этом цикле непосредственное участие принимают хлоропласты и митохондрии. В клетке эти органеллы примыкают друг к другу, что подчеркивает их функциональную зависимость. Таким образом, приходим к очень важному выводу: в клетке вместе с изолированностью органелл существует их интеграция.

Не у всех растений фотодыхание в равной степени происходит интенсивно. У сои оно идет с большей скоростью, а у сахарного тростника его долгое время не могли выявить. Вообще, у С3-рас- тений наблюдается более интенсивное фотодыхание, чем в С4-рас- тениях.

Интенсивное фотодыхание может снизить продуктивность С3-растений на 30 %, так как при фотодыхании происходит не поглощение СО2, а его потери. Из каждых 10 молекул рибуло-

139

зо-1,5-дифосфата, образовавшихся в С3-цикле и включившихся

âфотодыхание, одна разрушается.

Âсвязи с этим важной задачей для физиологов и селекционеров растений считается выведение сортов сельскохозяйственных растений, у которых в максимальной степени проявляется карбоксилазная и подавлена оксигеназная реакция и, таким образом, подавлено фотодыхание.

Низкую интенсивность фотодыхания в С4-растениях объясняют тем, что в них высокая концентрация СО2 в клетках-об- кладках. В этих растениях РДФ-карбоксилаза находится только

âклетках-обкладках, где и происходит процесс. Некоторые ис-

следователи считают, что в С4-растениях фотодыхание подавлено из-за недостатка О2 в клетках-обкладках. В этих клетках не идет фотолиз воды, так как они не имеют ФС II, а поступление атмосферного кислорода затруднено, потому что эти клетки расположены в глубине листовой пластинки и между ними почти нет межклетников.

Âнастоящее время фотодыхание рассматривают как одну из необходимых функций зеленого растения. Во-первых, фотодыха-

íèå, êàê è Ñ3-цикл, САМ-цикл и другие процессы, является источником метаболитов для разных синтезов. Во-вторых, практи-

чески доказано, что при образовании серина и глицина восстанавливается митохондриальная НАД . В-третьих, выявлена связь фотодыхания с ассимиляцией азота. И, наконец, появилась теория, в соответствии с которой излишки продуктов цикла Кальвина служат сигналом, который увеличивает фотосинтез. Таким образом, соотношение фотосинтеза и фотодыхания выполняет регуляторную роль в растениях.

2.10. Продукты темновой стадии фотосинтеза

Образовавшиеся в процессе темновой стадии вещества делят на первичные, промежуточные и конечные. Раньше считали, что первичным продуктом фотосинтеза является крахмал. В 40-е гг. прошлого века шла дискуссия, где одни ученые в качестве первичных продуктов фотосинтеза считали сахарозу, другие — фруктозу и глюкозу. В 50-е гг., когда стали использовать изотопы (радиоактивный СО2), показали, что через несколько секунд после попадания света на лист или зеленую клетку водоросли метка

140

ó Ñ3-растений появляется в ФГК, а затем в продуктах ее восстановления — фосфорилированных сахарах, составных компонентах цикла Кальвина. С того времени ФГК стала считаться первич- ным продуктом ассимиляции СО2.

Дальнейший путь превращения первичных продуктов фотосинтеза может быть разным в зависимости от вида растений, их физиологического состояния, условий питания, температуры, освещенности. Все это приводит к образованию конечных продуктов разного состава и качества. Некоторые из этих конечных продуктов (крахмал) образуются в самих хлоропластах.

Крахмал может использоваться для синтеза разных веществ, в том числе сахарозы — главного по количеству сахара, запасаемого в растениях.

Качественный состав конечных продуктов фотосинтеза зависит от спектрального состава света. Опыты с выращиванием растений при освещении только красным или только синим светом показали, что при действии красного света увеличивается синтез крахмала; при действии синего — уменьшается. При облучении синим светом увеличивается проницаемость мембраны хлоропласта для ФГК и неорганического фосфата: ФГК выходит, а неорганический фосфат входит в хлоропласт. В результате соотношение ФГК/Фí в хлоропласте уменьшается. Это подавляет синтез крахмала. ФГК, которая вышла из хлоропласта, используется на синтез амино- и органических кислот. «Фотосинтетическое» происхождение (на основе ФГК из С3-цикла) амино- и органических кислот впервые доказано в СССР в 1950-е гг. А. А. Ничипоровичем с сотрудниками.

Минеральные элементы также влияют на качественный и количественный состав синтезируемых веществ. Например, у кукурузы (С4-растение) в условиях аммонийного питания образование малата понижается, а аспартата увеличивается.

Постепенно, т. е. в несколько этапов, должно осуществляться не только разрушение органических молекул (так как это необходимое условие эффективного запасания и использования энергии), но и синтез сложных соединений — белков, нуклеиновых кислот, липидов или полисахаридов. Когда из простых молекул строятся более крупные, этим простым молекулам часто необходима активация; другими словами, им необходима энергия. Поэтому синтез того или иного соединения проходит более сложным путем, чем его распад.

141