3.1.1.4. Ассимиляция со2 у с4-растений

После открытия реакций цикла Кальвина различные исследователи изучали фотозависимое включение меченного ¹⁴С углерода СО₂ в первичные продукты фотосинтеза у разных групп растений. В ходе этих исследований было выяснено, что у зелёных водорослей и в листьях большинства растений умеренной зоны первичным продуктом фотосинтеза, в который происходит активное включение меченного ¹⁴С углерода СО₂ при коротких световых экспозициях, является С₃-продукт – 3-фосфоглицериновая кислота, в связи с чем такие растения было предложено называть С₃-растениями. Однако у многих растений тропического происхождения радиоактивный углерод СО₂ сначала включается в С₄-продукты (щавелевоуксусная, яблочная, аспарагиновая кислоты), поэтому их называют С₄-растениями. К типичным С₄-растениям относятся кукуруза, сахарный тростник, сорго, просо, амарант, лебеда, некоторые виды рода Euphorbia, многие тропические злаки, саксаул, солянки, мангровые древесные растения.

Последовательность биохимических реакций, связанная с использованием СО₂ для синтеза дикарбоновых кислот в листьях С₄-растений, впер-вые была представлена как циклический процесс австралийскими учёными М.Д. Хетчем и К.Р. Слэком и получила название цикла Хетча–Слэка.

С₄-растения отличаются от С₃-растений строением листа. Листья С₄-растений пронизаны сетью сосудисто-волокнистых пучков, которые окружены плотным слоем клеток обкладочной паренхимы, а вокруг этих клеток расположен рыхлый слой мезофилла. В клетках обкладочной паренхимы находятся крупные хлоропласты, почти не образующие гран; в них локализованы фермент рибулозодифосфаткарбоксилаза и другие ферменты, катализирующие реакции цикла Кальвина, а в клетках мезофилла листа содержатся типичные для фотосинтезирующих тканей хлоропласты, в которых происходят фотохимические реакции и осуществляется синтез НАДФ  Н и АТФ.

П

СН₂ СН₂–СООН (1)

‖ |

СО~Ⓟ + СО₂ + Н₂О  СО–СООН + Н₃РО₄

| щавелевоуксусная

СООН кислота

фосфоенолпиро-

виноградная кислота

ервичное связывание СО₂ и включение его в состав органического вещества у С₄-растений происходит в цитоплазме клеток мезофилла с участием фермента фосфопируваткарбоксилазы (4.1.1.31):

Первичным акцептором СО₂ служит фосфоенолпировиноградная кислота. В ходе реакции образуются щавелевоуксусная кислота и неорганический фосфат.

В опытах показано, что непосредственно с первичным акцептором взаимодействует не СО₂, а бикарбонат-ионы (НСО₃^－). Карбоксилирующий фермент фосфопируваткарбоксилаза представляет собой белок с высокой молекулярной массой ( 400 тыс.). Молярная активность этого фермента во много раз выше карбоксилирующей активности фермента цикла Кальвина рибулозодифосфаткарбоксилазы, поэтому он способен эффективно катализировать образование щавелевоуксусной кислоты при низких концентрациях СО₂, которые характерны для растений тропической зоны вследствие ухудшения растворимости СО₂ в физиологической среде при повышенных температурах. Фосфопируваткарбоксилаза не взаимодействует с кислородом и поэтому не может участвовать в фотодыхании, снижающем выход фотосинтетических продуктов.

С

СН₂–СООН СН₂–СООН (2)

| + НАДФ  Н + Н⁺  | + НАДФ⁺

СО–СООН СНОН–СООН

щавелевоуксусная яблочная

кислота кислота

интезированная в цитоплазме клеток мезофилла щавелевоуксусная кислота затем поступает в хлоропласты и с участием восстановленных динуклеотидов НАДФ  Н, являющихся продуктами световой стадии фотосинтеза, превращается там в яблочную кислоту. Данную реакцию катализирует фермент малатдегидрогеназа:

О

СН₂–СООН СН₂–СООН СН₂–СООН СН₂–СООН

| + | аминотранс- | + |

СО–СООН СН₂  СНNН₂–СООН СН₂

щавелевоуксус- | фераза аспарагиновая |

ная кислота СНNН₂–СООН кислота СО–СООН

глутаминовая -кетоглутаро-

кислота вая кислота

дновременно с превращением в яблочную кислоту щавелевоуксусная кислота может вступать в реакцию переаминирования с образованием аспарагиновой кислоты:

Затем яблочная кислота и аспартат диффундируют из клеток мезофилла в клетки обкладочной паренхимы. В хлоропластах этих клеток яблочная кислота подвергается окислительному декарбоксилированию с участием фермента малатдегидрогеназы декарбоксилирующей (1.1.1.40) с образованием пировиноградной кислоты и СО₂:

СН₂–СООН СН₃ (3)

| + НАДФ⁺  | + НАДФ  Н + Н⁺ + СО₂

СНОН–СООН С=О

яблочная |

кислота СООН

пировиноградная

кислота

О

СН₃ СН₂ (4)

| ||

С=О + АТФ + Н₃РО₄  СОⓅ + АМФ + Н₄Р₂О₇

| |

СООН СООН

пировино- фосфоенолпиро-

градная кислота виноградная кислота

бразовавшиеся в этой реакции СО₂ и НАДФ  Н далее участвуют в реакциях цикла Кальвина, которые активно происходят в хлоропластах клеток обкладочной паренхимы. Чем интенсивнее в них осуществляется декарбоксилирование, тем больше образуется СО₂ и НАДФ  Н и, следовательно, тем больше СО₂ связывается с первичным акцептором и восстанавливается до триоз в ходе реакций цикла Кальвина. Продукт декарбоксилирования яблочной кислоты – пировиноградная кислота не используется в цикле Кальвина, а диффундирует в клетки мезофилла листа, в хлоропластах которых она снова превращается в первичный акцептор СО₂ –фосфоенолпировиноградную кислоту. Эту реакцию катализирует фермент пируватдикиназа (2.7.1.40), который способен за счёт гидролиза макроэргической связи АТФ осуществлять фосфорилирование с участием неорганического фосфата:

У некоторых С₄-растений (амарант, лебеда) декарбоксилирование яблочной кислоты происходит в митохондриях клеток обкладочной паренхимы и тогда в качестве биоэнергетического продукта образуются восстановленные динуклеотиды НАД  Н.

Аспарагиновая кислота, синтезируемая в клетках мезофилла листа, в хлоропластах обкладочной паренхимы вступает в реакции переаминирования, в ходе которых превращается в яблочную кислоту. А яблочная кислота далее подвергается превращениям, указанным в реакциях (3) и (4).

Таким образом, у С₄-растений наблюдается разделение в пространстве биохимических процессов первичного связывания СО₂ и образования продуктов темновой стадии фотосинтеза. Связывание СО₂ происходит в клетках мезофилла листьев в ходе реакций цикла Хетча–Слэка, и оно сопряжено с потреблением продуктов световой стадии фотосинтеза НАДФ  Н (при восстановлении щавелевоуксусной кислоты в яблочную) и АТФ (в ходе образования первичного акцептора СО₂ – фосфоенолпировиноградной кислоты из пировиноградной). Образование же продуктов темновой стадии фотосинтеза осуществляется в клетках обкладочной паренхимы, в которых функционирует цикл Кальвина, а донорами СО₂ являются продукты цикла Хетча–Слэка (яблочная и аспарагиновая кислоты), подвергающиеся в клетках обкладочной паренхимы декарбоксилированию и создающие высокую концентрацию СО₂ в этих клетках.

В ходе декарбоксилирования яблочной кислоты в клетках обкладочной паренхимы синтезируются также восстановленные динуклеотиды НАДФ  Н (или НАД  Н у некоторых растений). Следовательно, основная функция цикла Хетча–Слэка – связывание СО₂ с помощью фермента фосфопируваткарбоксилазы и перенос его в виде яблочной и аспарагиновой кислот из клеток мезофилла в клетки обкладочной паренхимы, где происходит высвобождение и создание высокой концентрации СО₂, необходимой для более эффективной работы фермента цикла Кальвина рибулозодифосфаткарбоксилазы.

Одновременно с транспортом СО₂ осуществляется также перенос из клеток мезофилла в клетки обкладочной паренхимы и восстановительного потенциала, так как при образовании яблочной кислоты в клетках мезофилла потребляются восстановленные динуклеотиды НАДФ  Н, которые снова синтезируются при декарбоксилировании яблочной кислоты в клетках обкладочной паренхимы. Дополнительная энергия в виде молекул АТФ затрачивается в клетках мезофилла только на регенерацию первичного акцептора СО₂ – фосфоенолпировиноградной кислоты, что и определяет в целом дополнительные энергетические затраты на функционирование реакций цикла Хетча–Слэка. Эти дополнительные затраты энергии составляют у С₄-растений около 15% от всего количества энергии, потребляемого растениями для образования фотосинтетических продуктов.

Однако, если учитывать, что С₄-растения обычно произрастают в засушливой зоне с высокой интенсивностью солнечной радиации, дополнительные затраты на функционирование цикла Хетча–Слэка у них не лимитированы световой энергией и поэтому не снижают эффективности фотосинтеза. Наоборот, у этих растений более интенсивно происходит связывание СО₂ благодаря действию фермента фосфопируваткарбоксилазы, который не взаимодействует с кислородом и, следовательно, не инициирует реакции фотодыхания, снижающие продуктивность фотосинтеза. И этот фер-мент имеет очень сильно выраженную субстратную специфичность по отношению к СО₂, поэтому способен эффективно связывать СО₂ даже при низких его концентрациях, тогда как при таких условиях карбоксилирующая активность фермента рибулозофосфаткарбоксилазы у С₃-растений очень сильно подавляется.

Исходя из указанных выше преимуществ перед С₃-растениями, С₄-растения имеют более высокий коэффициент использования солнечной энергии и поэтому способны давать более высокий выход биомассы на единицу возделываемой площади сельскохозяйственных угодий. Наиболь-шие преимущества перед С₃-растениями они имеют в засушливых регионах, так как способны эффективно связывать СО₂ даже при почти закрытых устьицах листьев, когда в них сильно понижается концентрация СО₂. В более прохладных и влажных регионах, где интенсивность солнечной радиации понижена, С₃-растения получают определённые преимущества перед С₄-растениями, так как им не требуется дополнительная энергия для фиксации СО₂, связанная с функционированием цикла Хетча–Слэка.