37 С4-путь фотос. (цикл Хетча-Слэка). С3 и с4-раст., особ-ти их метаб.

Цикл Кальвина (или Сз-путь) не является единственным путем фотосинтеза. Существует еще несколько других, которые не распространены так широко, но известны для некоторых групп растений. Не вдаваясь в подробное изучение всех циклов, рассмотрим в качестве примера еще один путь — С4, названный так потому, что в этом процессе первыми продуктами образуются четырехуглеродные соединения. Цикл также состоит из нескольких реакций, но он короче, чем Сз-путь. Первая реакция этого цикла — фосфорилирование ПВК за счет АТФ и превращение ее в фосфоенолпируват (ФЕП): ПВК ФЕП АТФ ^ АДФ. Далее происходит одновременно две реакции: карбоксилирование фосфоенолпировиноградной кислоты (присоединение двуокиси углерода), и ее дефосфорилирование — отщепление фосфорной кислоты. При этом образуется четырехчленное углеродное соединение —ЩУК: ФЕП + С02 ЩУК + Н3РО4. Это — первое четырехуглеродное соединение, продукт С^-пути фотосинтеза. Далее оно может реагировать различным образом: восстанавливаться с образованием яблочной оксикислоты (ЯК), или малата: ЩУК + 2Н ЯК, либо аминироваться с образованием аспарагиновой аминокислоты (ААК): ЩУК + NH3 - ААК. Т.о., при фотосинтезе по С₄-пути непосредственно могут образоваться карбоновые кислоты и аминокислоты. Однако этот путь может быть связан с Сз-путем. При этом яблочная кислота может вновь декарбоксилироваться, т. е. отщеплять углекислоту, а образующееся трехчленное углеродное соединение вступает в цикл Кальвина, который проходит уже не в столбчатой паренхиме, а в клетках обкладки проводящих пучков. В таком случае фотосинтез более активно идет при закрытых устьицах, так как углекислый газ запасается (образуется) в листе при более благоприятных условиях и пониженной транспирации.

Доказательством более позднего появления этого пути считают наличие видов С3- и С4-фотосинтеза в одних таксонах. С4-растения имеют физиологические преимущества, которые проявляются в условиях засухи, повышенной температуры, засоления почвы, сильного освещения, т. е. при условиях, характерных для более южных стран. У них меньше транспирационный коэффициент, следовательно, они тратят меньше воды на образование сухого вещества. Также меньше у них потребность в азоте. У этих растений отсутствует фотодыхание и наблюдается более высокая продуктивность фотосинтеза при повышенной температуре. В настоящее время С^фотосинтез обнаружен у 943 видов растений, которые относятся к 18 семействам. Эти растения отличаются и анатомически: паренхима сосудисто-волокнистых пучков у них содержит хлоропласты, чего не имеют Сз-растения. Во флоре территории СНГ найдено 130 видов таких растений, из них 60 видов относятся к сем. Маревых, 34 вида — к сем. Злаковых. В числе их есть культурные сельскохозяйственные виды: просо, сорго, кукуруза, чумиза, сахарный тростник. В то же время среди С4-растений много злостных сорняков: пырей ползучий, марь белая, просо куриное, щетинник, щирица, речной гиацинт и другие виды.

38 Сам-метаболизм. Экологические особенности сам-растений.

Существует еще одна группа растений, имеющая особенности в осуществлении первичной фиксации С0₂. Это суккуленты, в частности кактусы и растения семейства Толстянковые (Crassulaceae). Поэтому этот тип фотосинтеза получил название Crassulaceae acid metabolism или САМ-метаболизм (САМ-путь). При функционировании САМ-пути устьица растений закрыты днем, когда интенсивность транспирации максимальна, и открыты ночью, когда потери воды ми­нимальны. Это предохраняет растения от излишней потери воды, повышает их устойчивость к засухе. Химизм фиксации С0₂ при САМ-пути сходен с С₄-путем, однако если у С₄-растений фотосинтез разделен в пространстве, то при САМ-пути — во времени. У САМ-растений фиксация С0₂ происходит в ночное время, когда устьица открыты. С0₂ поступает в клетки листа и в цитоплазме при участии ФЕП-карбоксилазы присоединяется к фосфоенолпировиноградной кислоте (ФЕП) с образованием органических кислот (ЩУК). ЩУК восстанавливается до яблочной кислоты, которая накапливается в вакуолях клеток листа. Реакция идет при участии фермента малатдегидрогеназы (малик-фермент). Днем на свету, когда устьица закрыты, яблочная кислота транспортируется из вакуолей в цитоплазму, где происходит декарбоксилирование ЩУК с образованием С0₂ и пировиноградной кислоты. С0₂ передвигается в хлоропласта и с помощью РБФ-карбоксилазы, оксигеназы вступает в цикл Кальвина. Таким образом, в клетках этих растений содержится как ФЕП-карбоксилаза, так и РБФ-карбоксилаза, оксигеназа. Синтезируемые в дневные часы в цикле Кальвина углеводы используются как источники метаболитов (например, ФЕП), необходимых для повторения цикла. Осуществление фотосинтеза по такому пути позволяет растениям максимально экономить воду и поддерживать процесс фотосинтеза в условиях острого водного дефицита. Однако САМ-путь не может обеспечить высокой продуктивности растений, поэтому данные растения медленно растут и не могут конкурировать с С₃- и С₄-растениями при менее экстремальных условиях. Возможна смена путей фиксации С0₂. При достаточном количестве воды растения с САМ-метаболизмом могут переходить на С₃-путь. Так, показана способность Mesembryanthemum crystallinum L. (хрустальная травка) менять направленность метаболических процессов, переходя с С₃-пути фотосинтеза на САМ в условиях действия различных стрессоров: водного, солевого, температурного. В научной литературе имеются указания о наличии и других путей связывания С0₂. Однако они еще недостаточно изучены. Важно также подчеркнуть, что на всех этапах фотосинтетического цикла промежуточные продукты могут претерпевать различные превращения в зависимости от условий среды. Именно это является основой для образования разнообразных продуктов фотосинтеза.