4.5. Дыхание в фотосинтезирующей клетке.

В зеленых тканях растений фотосинтез и дыхание протекают в одной клетке. В темноте дыхание является основным источником АТФ. Однако что случается с дыханием на свету, когда мощным энергодающим процессом в клетке становится фотосинтез? Известно, что на свету митохондрии вовлекаются в процесс фотодыхания, а у некоторых С4-видов - в процессы, связанные с ассимиляцией СО₂. Продолжается ли в этих условиях собственно дыхание и если да, то с какой интенсивностью? На этот вопрос пока нет четкого ответа. Дело в том, что определить скорость дыхания на фоне идущего фотосинтеза очень сложно, т.к. выделение О₂ при фотосинтезе по интенсивности во много раз перекрывает поглощение О₂ в дыхании. До недавнего времени полагали, что дыхание на свету полностью подавлено. Считалось, что в результате фотосинтеза уровень АТФ в цитозоле возрастает, и это ведет к торможению гликолиза (см.4. 2.7.), а значит и к подавлению митохондриального дыхания ввиду нехватки субстрата. Но в последнее время изучение газообмена фотосинтезирующих клеток с применением методов масс-спектрометрии во всех случаях показало, что дыхание на свету продолжается. Однако разные объекты, условия и возможные ошибки приводят к неоднозначным выводам о степени этого дыхания: по разным оценкам интенсивность дыхания на свету составляет от 100 до 30 % от темновой. При этом, если эффект света на поглощение О₂ сильно варьирует, то выделение СО₂ однозначно снижается и составляет 30-40% от темнового уровня. Это значит, что на свету цикл трикарбоновых кислот функционирует гораздо медленнее, чем в темноте. Этому факту можно дать следующее объяснение. На свету митохондрии участвуют в фотодыхательном цикле и окисляют глицин с очень большой скоростью.(см.фотодыхание»). При окислении глицина в матриксе образуется ион аммония, который способствует инактивации пируватдегидрогеназного комплекса. Вспомним, что аммоний активирует протеинкиназу, которая фосфорилирует ПДК, переводя его в неактивное состояние (см.4. 2.7, рис.2.7.). Возможно, именно по этой причине наблюдается снижение активность ЦТК.

Тем не менее, хоть и с меньшей интенсивностью, но работа цикла трикарбоновых кислот на свету продолжается. Какое значение это может иметь для фотосинтезирующей клетки? Прежде всего, цикл продолжает поставлять НАДН для восстановления в цитозоле нитрата и углеродные скелеты для синтеза аминокислот. Важнейшей функцией митохондрий остается экспорт - кетоглутарата, необходимого для светозависимой ассимиляции азота в хлоропластах. Дискуссионным остается вопрос, как изменяется (или не изменяется) интенсивность окислительного фосфорилирования и каков вклад митохондрий в энергообмен фотосинтезирующей клетки? Ранее преобладала точка зрения, что все энергопотребности клетки на свету обеспечивает фотосинтез. Сейчас так уже не думают. Показано, что даже на свету синтезируемая в митохондриях АТФ используется в энергозависимых процессах, протекающие в цитозоле, например при синтезе сахарозы и в белковом синтезе. Некоторые исследователи даже полагают, что образованный при фотосинтезе АТФ в основном расходуется в хлоропласте на фотоассимиляцию СО₂, тогда как пул АТФ в цитозоле поддерживается митохондриальным дыханием.

Долгое время процессы фотосинтеза и дыхания изучались автономно, и вопрос о их взаимодействии в фотосинтезирующей клетке остается, пожалуй, наименее изученным.

В то же время появляются факты, доказывающие, что фотосинтез и дыхание более интегрированы, чем это полагали ранее. Удивительным доказательством такой интеграции стали опыты, проведенных на протопластах листьев ячменя. Выяснилось, что при подавлении митохондриальной АТФ-синтазы олигомицином ( в концентрации, которая не действует на АТФ-синтазу в хлоропластах) скорость фотосинтеза падает на 30-40%. Этот факт неожиданно продемонстрировал, что синтез АТФ в митохондриях необходим для поддержания нормального фотосинтеза. Пока этому факты можно дать следующее объяснение. Возможно, что на свету между хлоропластами и митохондриями идет активный обмен метаболитами, и дыхание участвует в окислении избытка восстановительных эквивалентов, выносимых в цитозоль из хлоропластов. Восстановленные НАДН и НАДФН могут поступать в митохондрии с помощью челночных систем или прямо окисляться в дыхательной цепи через внешние альтернативные дегидрогеназы. Удаляя избыток НАД(Ф)Н митохондриальное дыхание тем самым снижает вероятность фотоингибирования (см. «фотосинтез»). Возможно, наличие альтернативной оксидазы и альтернативных дегидрогеназ в дыхательной цепи растений как раз и объясняется необходимостью сбалансировать фотосинтетическую активность с потребностями метаболизма.