Темновая фаза фотосинтеза

Темновая фаза фотосинтеза протекает без непос­редственного участия световой энергии, за счет энер­гии АТФ и с помощью донора водорода НАДФ Н₂.

Отдельные этапы восстановления углекислоты и образование органического вещества удалось раскрыть с помощью метода меченых атомов, распределитель­ной хроматографии, электрофореза и других современ­ных методов. Значительный вклад в решение этой проблемы внесли американские ученые М. Кальвин и Э. Бенсон. За эту работу в 1961 г. была присуждена Нобелевская премия.

Прежде всего, необходимо было выяснить природу акцептора СО₂, т.е. вещества, присоединяющего вне­шнюю углекислоту. Измеряя изменение радиоактивности в различных соединениях при введении в зеленую водо­росль хлореллу радиоактивной ¹⁴СО₂ при разной концен­трации углекислоты и при сочетании резко меняющихся внешних условий, темнота - свет - темнота, удалось показать, что этим акцептором является активированный (фосфорилированный) сахар рибулозодифосфат (РДФ).

Углерод в составе СО₂ находится в наивысшей форме окисления. При ассимиляции происходит посте­пенное превращение углерода из наиболее окислен­ной формы в восстановленную форму путем присое­динения электронов и протонов.

Условно все многообразие темновых реакций фо­тосинтеза разделяют на 3 группы:

• реакция карбоксилирования, т.е. присоединения С0₂ к РДФ;

• реакции восстановления;

• регенерация РДФ.

С помощью фермента карбоксилазы рибулозоди­фосфата углекислота, попав в хлоропласт, присоеди­няется к рибулозодифосфату (РДФ) с образованием очень нестойкого С₆ - соединения, которое сразу же распадается на две молекулы фосфоглицериновой кис­лоты.

В результате приведенной реакции углерод углекис­лоты входит в состав карбоксильной группы и хоть находится еще в окисленной форме, но кроме двух ато­мов кислорода имеет около себя и один атом водорода.

Вторая группа темновых реакций начинается с фосфорилирования ФГК с образованием 1,3-дифосфог­лицериновой кислоты (диФГК):

ДиФГК по сравнению с ФГК обладает более высо­кой активностью, так как содержит макроэргическую связь. В последующем карбоксил диФГК под воз­действием фермента триозофосфатдегидрогеназы восстанавливается до альдегидной группы с образованием фосфоглицеринового альдегида (ФГА). В качестве восстановителя служит НАДФ. Н₂.

Теперь углерод внешней углекислоты находится в более восстановленной форме альдегидной группы. За­тем при участии фермента триозофосфатизомеразы ФГА переходит в фосфодиоксиацетон (ФДА).

В дальнейшем происходит реакция конденсации ФДА с ФГА с участием фермента альдолазы с образованием фруктозо-1,6-дифосфата. Одна часть фруктозо-1,6-дифосфата идет на обра­зование сахарозы и крахмала, основных конечных продуктов фотосинтеза.

Третья группа реакций начинается с использова­ния другой части фруктозо-1,6-дифосфата и ФГА на регенерацию РДФ с последовательным образованием четырех-, семи- и, наконец, пятиуглеродных сахаров: эритрозо-4-фосфата, седогептулозо-1,7-дифосфата, седогептулозо-7-фосфата, рuбулозо-5-фосфата и, на­конец, рибулозо-1,5-дuфосфата. Последняя реакция идет за счет использования АТФ: РМФ + АТФ → РДФ + АДФ. На этом этапе с образованием новых молекул РДФ заканчивается полный цикл темновых реакций фотосинтеза, носящий название цикла Каль­вина - Бенсона. Цикличность темновых реакций обеспечивает высокую эффективность про­цесса восстановления СО₂, значительную автономность и саморегуляцию его.

Световые реакции фотосинтеза осуществляются в мембранах тилакоидов, а темновые - в строме хло­ропластов, т.е. они разобщены и во времени, и в про­странстве.

Итак, фотосинтез обеспечивает живые клетки ра­стений энергией, заключенной в органических веще­ствах, и «строительным материалом», в качестве кото­рого выступают различные продукты темновых реак­ций. Показана также возможность образования в процесс е фотосинтеза не только углеводов, но и дру­гих веществ. Так, путем непосредственного аминиро­вания ФГК может превращаться в аминокислоту се­рин, или более сложным путем в аланин. Помимо этого доказано образование некоторых органических кислот и белков, особенно в сине-фиолетовой части спектра.

Восстановление СО₂ по циклу Кальвина-Бенсона наблюдается у большинства растений Земли. Иначе его еще называют С₃- путем фиксации СО₂, так как первые устойчивые продукты фиксации СО₂ являются трехуг­леродными соединениями: ФГК, ФГА, ФДА. Но это не единственный путь усвоения СО₂.

Сравнительно недавно Ю.С. Карпиловым на рас­тениях кукурузы был открыт С₄- путь фиксации углекислоты. Он наблюдается, кроме кукурузы, у таких тропических злаков, как сорго, сахарный тростник и др. По современным данным, он обнаружен у 943 ви­дов из 18 семейств и 196 родов. Среди представителей этого типа фиксации углекислоты оказались и некото­рые древесные растения, растущие по берегам тропи­ческих морей, по побережью океанов на засоленных приливно-отливных почвах, а также деревья, крупные и мелкие кустарники, полукустарники - обитатели солончаков и засоленных почв пустынь (саксаул, со­лянки и др.). Этот тип фиксации углекислоты назван циклом Хэтча-Слэка, по имени ученых, подробно изу­чивших его механизм.

Наиболее характерной особенностью С₄- пути фик­сации СО₂ является:

• Образование четырехуглеродных устойчивых про­дуктов фотосинтеза - органических и аминокис­лот, главным образом яблочной и аспарагиновой, причем реакцию карбоксилирования осуществля­ет карбоксилаза фосфоенолпировиноградной кис­лоты (ФЕП), т.е. акцептором СО₂ служит ФЕП.

• Кроме того, растения с С₄-путем фиксации СО₂ отличаются, как правило, очень высокой интенсив­ностью фотосинтеза, не имеют так называемого светового насыщения и фотодыхания, а фермент ФЕП-карбоксилаза способен работать при очень низких концентрациях внешней СО₂. Последнее обстоятельство имеет немаловажное значение в условиях жарких тропиков.

В настоящее время выделяют 3 группы С₄- расте­ний, которые не различаются по своему механизму на начальном этапе цикла Хетча-Слэка (карбоксилирова­ние), но отличаются на следующем этапе (декарбокси­лирование) и, прежде всего, по природе транспортных метаболитов и декарбоксилирующих ферментов.

Общая схема реакций цикла Хетча-Слэка для С₄-растений первой группы (кукуруза, сахарный трос­тник, сорго и некоторые другие) выглядит следующим образом. ФЕП при участии фермента ФЕП-карбокси­лазы в клетках мезофилла присоединяет углекислоту с образованием щавелевоуксусной кислоты (ЩУК). Затем щавелевоуксусная кислота с помощью НАДФН₂ восстанавливается до яблочной.

У тропических злаков с С₄-типом фиксации угле­кислоты найдены важные отличия в структуре паренхимных клеток обкладки проводящих пучков. Обкладка имеет большее число крупных хлоропластов и дру­гих органелл по сравнению с клетками мезофилла листа. На поперечных срезах листьев хорошо просле­живаются два концентрических слоя клеток вокруг проводящих пучков. Подобная структура получила название кранц-анатомии (от немецкого слова кранц - ­венок). Указанные особенности в строении листьев рассматриваемых растений тесно коррелируют со спецификой процесса фотосинтеза.

У С₄-растений второй группы (просо крупное, хлорис и некоторые другие) основной транспортной формой является аспарагиновая кислота. Эти С₄-кис­лоты передвигаются в клетки обкладки проводящих пучков и там декарбоксилируются, отщепляя СО₂, ко­торая здесь усваивается с помощью механизмов цикла Кальвина-Бенсона с образованием указанных проме­жуточных соединений и углеводов. Регенерация ФЕП происходит в клетках обкладки, где из яблочной и ас­парагиновой кислот путем ряда реакций образуется в конечном итоге пировиноградная кислота, которая затем поступает в клетки мезофилла листа и здесь с участием АТФ превращается в ФЕП. Цикл повторяет­ся заново. Указанные реакции разобщены в простран­стве.

У третьей группы С₄-растений (амарант и дру­гие) в митохондрии клеток обкладки передвигаются аспарагиновая кислота и аминокислота аланин.

С₄-путь ассимиляции СО₂ - дополнительный путь к циклу Кальвина - Бенсона у растений, приспособлен­ных к существованию в условиях повышенных темпе­ратур. Экологически такой механизм очень выгоден, ибо СО₂ в значительных количествах фиксируется в С₄­-кислотах. Высокая степень приспособленности расте­ний с С₄-типом фиксации углекислоты к условиям жарких тропиков подтверждается и тем, что они обыч­но более эффективно используют воду, чем растения с С₃-типом ассимиляции. При засолении почвы, засухе и других стрессах обнаружено более высокое содер­жание в листьях тропических злаков абсцизовой кис­лоты, способствующей закрыванию устьиц и сниже­нию транспирационных потерь.

Есть промежуточные группы растений со смешан­ным типом механизма фиксации углекислоты. Так, например, у саксаула безлистного или черного, древес­ного растения наших пустынь, при относительно низ­кой температуре (5-15°С) функционирует цикл Каль­вина- Бенсона, а высокой (30 - 45 °С) - Хетча-Слэка, что существенно расширяет адаптационные возмож­ности (В.И. Пьянков). Наконец, обнаружено появле­ние С₄-пути у старых листьев некоторых растений или в нелистовых органах, например, в зеленеющих око­лоплодниках некоторых растений и семядолях многих растений, в том числе древесных.

Важно отметить, что в контролируемых условиях удалось показать влияние внешних факторов на специфику фотосинтетического метаболизма углерода. Так, регулируя содержание СО₂ в воздухе и температуру, можно добиться преимущественного проявления то одного, то другого пути фиксации углекислоты. На указанный сдвиг влияет и фотопериод (соотношение светлого и темного времени суток).

Есть и еще один путь фиксации СО₂. Он открыт у суккулентных растений, принадлежащих к семейству толстянковых и некоторых других. Если у С₄-растений фотосинтетическое усвоение СО₂ разделено в про­странстве, то у суккулентов - во времени.

Днем у них немногочисленные устьица закрыты и внешняя СО₂ не может поступать внутрь их мясис­тых тканей. Углекислота поступает в эти растения ночью, когда устьица открыты. В это время с помо­щью ФЕП-карбоксилазы осуществляется процесс карбоксилирования по типу С₄. Образуется ряд орга­нических кислот, в том числе большое количество яблочной кислоты. Когда утром устьица закрываются с целью уменьшения транспирации, фотосинтез идет по типу С₃-растений: в процессе декарбоксилирования органических кислот СО₂ освобождается и включает­ся в цикл Кальвина-Бенсона, восстанавливаясь до углеводов.

Таким образом, у названных суккулентов днем осуществляется обычный фотосинтез (С₃), а ночью происходит карбоксилирование ФЕП. В этом отношении суккуленты очень полезны как комнатные растения, уменьшающие количество уг­лекислоты в помещениях в ночное время, когда дру­гие растения, наоборот, выделяют СО₂ процессе дыхания.

Разделение процесса фотосинтеза во времени имеет важное экологическое значение для этих обита­телей пустынь и полупустынь: они обеспечивают себя углекислотой ночью, не подвергаясь риску потерять большое количество воды в жаркое время дня.

Только что рассмотренный путь фиксации СО₂ получил название САМ - метаболизм. С₄- и САМ - пути фотосинтеза являются более прогрессивными «шунтами» цикла Кальвина - Бенсона, эволюционно наиболее продвинутыми и адаптирован­ными к жаркому тропическому климату, с одной сторо­ны, засушливым условиям пустынь, с другой.