66. Гликолатный цикл
Еще в 1779 г. Я. Ингенгауз, проверявший результаты опытов Д. Пристли, который доказал, что на свету зеленые растения улучшают воздух, испорченный горением, обнаружил, что иногда днем, при очень большой освещенности и температуре, растения выделяют С02 и поглощают 02. Я. Ингенгауз решил забыть об этих странных для него результатах и объявил, что Д. Пристли был прав. Это явление доказывало и большинство из его собственных 500 опытов. Вспомнили об этом феномене только через полтора века и назвали его по типу газообмена, активирующегося на свету в зеленых клетках, фотодыханием.
Когда в 60-е годы XX в. начали изучать фотодыхание, то оказалось, что большую роль в этом процессе играет РуБФ-карбоксилаза. Если мало двуокиси углерода и много кислорода, то она может присоединять к рибулозо-1,5-бисфосфату не углекислый газ, а кислород, т. е. этот фермент выполняет не только карбоксилирую- щую, но и оксигенирующую функцию. Кислород и С02 ведут себя как субстраты, конкурирующие друг с другом за взаимодействие с РуБФ-карбоксилазой/оксигеназой (РуБФК/О), т. е. кислород ингибирует карбоксилазную, а С02 — оксигеназную функцию этого фермента.
Присоединение кислорода к молекуле РуБФ приводит к тому, что вместо двух молекул ФГК образуется одна молекула ФГК и одна молекула фосфогликолата (рис. 4.19). Выходя из хлоропласта, фосфогликолат при участии фосфогликолатфосфатазы дефосфорилируется и превращается в гликолат, который поступает в специальную органеллу — пероксисому. В пероксисоме гликолат реагирует с поглощаемым клеткой кислородом; в результате образуются глиоксилат и перекись водорода. Реакцию катализирует гликолатоксидаза. Перекись тотчас же разлагается каталазой на воду и кислород, который выделяется в атмосферу, а глиоксилат в результате реакции трансаминирования, идущей при участии глиоксилатгли- цинаминотрансферазы, превращается в глицин, транспортирующийся в митохондрию. Здесь из двух молекул глицина при участии серинглиосилатаминотрансферазы синтезируется одна молекула серина, образуются С02, аммиак и восстанавливается НАД. С02 или выделяется в атмосферу, т. е. теряется для растения, или используется в С3-цикле. Предполагают, что образующийся НАДН может включиться в электронтранспортную цепь дыхания, что приводит при его окислении к синтезу АТФ.
Серин транспортируется из митохондрии 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, и образуется ФГК. ФГК является конечным продуктом этого цикла.
Она может поступить в С3-цикл для регенерации РуБФ или использоваться для синтеза сахарозы или крахмала.
Гликолат считается первичным продуктом этого цикла, поэтому цикл превращения его в триозофосфат (ФГК) назвали гликолатным.
Таким образом, более поздние исследования показали, что обнаруженное Я. Ингенгаузом выделение зелеными клетками углекислого газа и поглощение кислорода при освещении — это еще один цикл фотосинтеза, особенности которого перечислены ниже:
— СОг образуется во время превращения двух молекул глицина в серин;
— кислород расходуется для синтеза гликолата и глиоксилата. Кроме того, если образующийся при декарбоксилировании глицина в митохондриях НАДН окисляется, то потребление кислорода увеличивается;
— во время этого цикла, как и при дыхании, поглощается кислород и выделяется углекислый газ;
— в течение цикла образуется свободный аммиак, который не выделяется во внешнюю среду, а используется для аминирования оксилутарата, в результате образуется глутамат;
— ФГК может использоваться для синтеза сахарозы или крахмала.
Реакции этого цикла происходят в хлоропластах, пероксисомах и митохондриях. Основной органеллой считается пероксисома, так как именно в ней находятся главные ферменты этого цикла: глико- латоксидаза, каталаза и глиоксилатредуктаза. Митохондрии играют важную роль в этом цикле, так как в них находятся ферменты, с помощью которых происходит декарбоксилирование глицина с образованием серина и выделением С02. Цикл начинается и кончается в хлоропластах. В хлоропластах находятся РуБФ-карбоксила- за/оксигеназа и глицераткиназа. В клетке эти органеллы примыкают друг к другу, что также подчеркивает их функциональную зависимость (рис. 4.20). Таким образом, можно сделать важный вывод: в клетке органеллы взаимодействуют друг с другом, следовательно, необходим интенсивный транспорт веществ из одной органеллы в другую. С помощью этого цикла азот переносится из пероксисомы в митохондрию.
В течение гликолатного цикла происходит потеря С02, поглощенного в Сз-цикле. Если цикл идет 10 раз, то из каждых 10 молекул РуБФ, образовавшихся в Сз-цикле, одна молекула разрушается:
В результате у Сз-растений потери сухой массы составляют от 15 до 50%. Последующие опыты показали, что если С3-растения, например некоторые виды фасоли, выращивать при пониженной концентрации кислорода, то их сухая масса увеличивается в 1,5—2 раза. Однако у С4-растений, например у кукурузы, увеличения прироста сухой массы в этих условиях не происходит. Поэтому возник вопрос: у всех ли растений есть гликолатный цикл? Было доказано, что у Сз-растений и САМ-растений он есть, но у САМ-растений устьица днем закрыты, поэтому С02 не выделяется в атмосферу, и этот цикл трудно обнаружить.
Однозначного ответа на вопрос о наличии гликолатного цикла у С4-растений пока нет. Одни исследователи считают, что у С4-растений гликолатный цикл происходит, так как в клетках есть все необходимые ферменты, да и цикл выполняет важные функции в растительном организме. Однако у этих растений гликолатный цикл идет с небольшой скоростью, что объясняется наличием РуБФ-карбоксилазы/оксигеназы только в клетках обкладки и тем, что образующийся в гликолатном цикле С02 не выделяется в атмосферу, а вновь используется в фотосинтезе. Низкую интенсивность гликолатного цикла у С4-растений объясняют еще тем, что у них в клетках обкладки, которые содержат РуБФ-карбоксилазу, высокая концентрация С02. В основных клетках мезофилла этого фермента нет.
Сторонники другой точки зрения считают, что у С4-растений гликолатный цикл подавлен из-за недостатка кислорода в клетках обкладки. Действительно, в этих клетках не происходит фотолиз воды из-за отсутствия в их хлоропластах второй фотосистемы, а поступление атмосферного кислорода затруднено тем, что клетки обкладки расположены в глубине листовой пластинки и между ними почти нет межклетников. Кроме того, эти растения не увеличивают сухую массу при уменьшении концентрации кислорода. У них очень высокая продуктивность. Так как интенсивно идущий гликолатный цикл может сильно снизить продуктивность С3-расте- ний, то некоторые селекционеры считают важной задачей выведение сортов сельскохозяйственных растений, у которых этот процесс подавлен. Удачные опыты проведены с райграсом.
Некоторые исследователи предполагают, что у С4-растений гликолатный цикл функционирует только в условиях водного дефицита, вызывающего закрывание устьиц и снижение концентрации углекислого газа в листе.
В настоящее время гликолатный цикл рассматривают как процесс, выполняющий важные функции в растительном организме. Во-первых, этот цикл, как и другие циклы фотосинтеза, является источником промежуточных веществ для различных синтезов. Во-вторых, гликолатный цикл играет важную роль в образовании таких аминокислот, как серин и глицин, т. е. связан с азотным обменом растения. В-третьих, почти доказано, что при образовании серина из глицина восстанавливается митохондриальный НАД, при окислении которого образуется АТФ. И наконец, в-четвертых, появились данные, согласно которым избыток продуктов Сз-цикла увеличивает скорость гликолатного цикла, а их недостаток усиливает интенсивность Сз-цикла. Был проделан такой опыт. Одинаковые растения хлопчатника разделили на 2 группы. У растений первой группы удалили половину листьев, а у растений второй — половину плодов. В результате у растений первой группы листья должны были кормить большее количество развивающихся коробочек, а у растений второй группы — меньшее количество. Оказалось, что, несмотря на одинаковые условия, у растений первой группы увеличилась интенсивность Сз-цикла, а у растений второй группы — гликолатного цикла. Следовательно, соотношение гликолатного цикла и Сз-цикла помогает поддерживать гомеостаз в растительном организме.