5. Темновая фаза фотосинтеза

Продукты световой фазы фотосинтеза АТФ и НАДФ ^. Н₂ ис­пользуются в темновой фазе для восстановления СО₂ до уровня углеводов. Реакции восстановления происходят настолько бы­стро, что с помощью обычных методов химического анализа чрезвычайно трудно обнаружить промежуточные продукты и практически невозможно установить последовательность их пре­вращений. Только использование радиоактивных изотопов, в первую очередь ¹⁴С, в качестве метки, хроматографии и электро­фореза позволило установить последовательность реакций при фотосинтезе, множественность путей метаболизма углерода. В настоящее время известны С₃- и С₄-пути фиксации СО₂, фото­синтез по типу толстянковых (САМ-метаболизм) и фотодыхание.

С₃-путь фотосинтеза (цикл Кальвина)

Этот способ ассимиляции СО₂, присущий всем растениям, был расшифрован американскими исследователями во главе с Мэльвином Кальвиным. Схема последовательности реакций по­лучила название цикла Кальвина. Характерной особенностью фотосинтетического восстановления СО₂ являются цикличность и разветвленность этого процесса. Цикличность обеспечивает высокую производительность, саморегуляцию и непрерывность образования углеводов. Разветвленность — образование разнооб­разных продуктов, дублирование путей регенерации акцептора СО₂. Цикл состоит из трех этапов: карбоксилирования, восста­новления и регенерации акцептора СО₂ (рис. 14).

1. Карбоксилирование

3 РДФ + 3СО₂ + 3Н₂О 6ФГК

2. Восстановление

6 ФГК + 6АТФ 6дФГК + 6АДФ

6 дФГК + 6НАДФ ^. Н₂ 6ФГА + 6Ф_н + 6НАДФ

3. Регенерация первичного акцептора

5 ФГА 3РДФ

Ф ГА ФДФ глюкоза

ФГА

(из следующего цикла)

6 РДФ + 6СО₂ + 12 НАДФ ^. Н₂ + 18 АТФ 6РДФ + С₆Н₁₂О₆ + 6Н₂О + 12 НАДФ + 18АДФ + 18Ф_н

С₃ С₃ С₃ С₃ С₃

С₆

С₅ С₄

РДФ С₇

С₅ С₅

РДФ РДФ

Рис.14. Цикл Кальвина

В цикле Кальвина первичными продуктами включения СО₂ в органические вещества и восстановления являются трехуглеродные соединения (ФГК, ФГА). Поэтому этот способ фиксации СО₂ носит название Сз-пути фотосинтеза. Большинст­во растений, особенно произрастающих в умеренной зоне, ис­пользуют именно этот путь восстановления СО₂ и называются Сз-растениями.

С₄-путь фотосинтеза

Путь усвоения СО₂, установленный М. Кальвиным, является основным. Но существует большая группа растений, включаю­щая более 500 видов покрытосеменных, у которых первичными продуктами фиксации СО₂ и восстановления являются четырехуглеродные соединения. Их называют С₄-растениями. Основы для биохимического исследования фотосинтеза у С₄-растений были заложены в работах Л.А. Незговоровой (1956—1957), Ю.С. Карпилова и И.А. Тарчевского (1960—1963), а также ав­стралийских ученых Хетча и Слэка. В 1966 г. Хетч и Слэк предложили законченную схему цикла темновых реакций у С₄-растений, которая получила название цикла Хетча и Слэка.

К С₄-растениям относится ряд культурных растений преиму­щественно тропического и субтропического происхождения - кукуруза, просо, сорго, сахарный тростник и многие злостные сорняки — свинорой, сыть округлая, ежовник крестьянский, просо куриное, просо крупное, гумай (сорго алепское), щирица, щетинник и др. Как правило, это высокопродуктивные растения, устойчиво осуществляющие фотосинтез при значительных по­вышениях температуры и в засушливых условиях.

Для листьев С₄-растений характерно анатомическое строение кранц-типа (от нем. kranz — венок, корона), т. е. наличие явно отличающихся друг от друга фотосинтезирующих клеток двух типов, которые располагаются концентрическими кругами: радиально расположенные вокруг проводящих пучков клетки обклад­ки и основной мезофилл (рис. 15).

Клетки обкладки проводящего пучка содержат крупные, ли­шенные гран (агранальные) хлоропласты. В клетках мезофилла находятся более мелкие гранальные хлоропласты. Эти два типа клеток физиологически не равноценны и специализируются на выполнении разных звеньев фотосинтеза. С₄-цикл можно разде­лить на две стадии: карбоксилирование, происходящее в клетках мезофилла, и декарбоксилирование и синтез углеводов, идущие в клетках обкладки проводящих пучков. Общим для всех С₄-растений является то, что карбоксилированию подвергается фосфоенолпировиноградная кислота (ФЕП) при участии ФЕП-карбоксилазы и образуется щавелевоуксусная кислота (ЩУК), которая восстанавливается до яблочной кислоты или аминируется с об­разованием аспарагиновой кислоты.

Рис. 15. Структурные особенности С₄-растений. 1 - эпидермис‚ 2 - межклетники‚ 3 - мезофилл‚ 4 – проводящий пучок‚ 5 – клетки обкладки

Щавелевоуксусная, яблочная и аспарагиновая кислоты явля­ются четырехуглеродными со­единениями.

По способу декарбоксилирования при участии НАДФ ^. Н₂ или НАД-малатдегидрогеназы (МДГ, называемой также малик-энзимом и яблочным фермен­том) или ФЭП — карбоксикиназы (ФЕП-КК) у С₄-растений можно выделить три группы: НАДФ-МДГ, НАД-МДГ и ФЕП-КК-типы соответственно. У НАДФ-МДГ-растений глав­ными метаболитами, вовлеченными в обмен между клетками, являются малат и пируват (ПВК), у НАД-МДГ-растений — аспартат и аланин и у ФЕП-КК-растений — аспартат и ФЕП. Важ­нейшие сельскохозяйственные культуры — кукуруза, сорго, са­харный тростник и такие распространенные сорняки, как сыть, ежовник, щетинник, гумай, относятся к НАДФ-МДГ-типу.

Рассмотрим С₄-цикл восстановления СО₂ на примере этих растений (рис. 16). СО₂, поступающий в лист через устьица, попадает в цитоплазму клеток мезофилла, где при участии ФЕП-карбоксилазы вступает в реакцию с ФЕП, образуя щавелевоуксусную кислоту (оксалоацетат). Затем уже в хлоропластах оксалоацетат восстанавливается до яблочной кислоты (малата) за счет НАДФ ^. Н₂, образующегося в ходе световой фазы фотосинтеза.

Рис.16. С₄-путь фотосинтеза

ЩУК в присутствии NH₄⁺ может превращаться также в аспартат. Затем малат переносится в хлоропласты клеток обкладки со­судистого пучка, где он подвергается окислительному декарбоксилированию, продуктом которого является пировиноградная кислота (ПВК). Последняя снова диффундирует в мезофилл, где при участии АТФ, образованной в световой фазе, происходит регенерация ФЕП, после чего цикл карбоксилирования повторя­ется с участием новой молекулы СО₂. Образовавшиеся в резуль­тате окислительного декарбоксилирования малата СО₂ и НАДФ ^. Н₂ поступают в цикл Кальвина, что приводит к образова­нию ФГК и других продуктов, свойственных Сз-растениям. Сле­довательно, именно клетки обкладки выполняют роль основной ассимилирующей ткани, поставляющей сахара в проводящую систему. Клетки мезофилла выполняют вспомогательную функ­цию — подкачку СО₂ для цикла Кальвина.

Таким образом, С₄-путь обеспечивает более полное усвоение СО₂, что особенно важно для тропических растений, где основным лимитирующим фактором фотосинтеза является концентрация СО₂. Эффектив­ность усвоения СО₂ С₄-растениями увеличивается также за счет подачи НАДФ ^. Н₂ в хлоропласты клеток обкладки. Эти хлороплас­ты имеют агранальное строение и специализируются на темновой фазе фотосинтеза, здесь практически не происходит нецик­лическое фотофосфорилирование. На один агранальный хлоро­пласт в среднем приходится 8—10 гранальных хлоропластов, осуществляющих первичную фиксацию СО₂ и нециклическое фотофосфорилирование. Такая компартментация процессов и кооперация функционирования тканей обеспечивают повышение продуктивности растений и позволяют накапливать СО₂ в орга­нических кислотах для осуществления фотосинтеза даже при закрытых устьицах в наиболее жаркое время дня. Это сокращает потери воды на транспирацию. Эффективность использования воды С₄-растениями вдвое выше, чем у Сз-растений.

Таблица 4. Сравнительная характеристика С₃- и С₄-растений

Признак	С3-растения	С4-растения
Происхождение	Умеренная зона	Тропическая и субтропическая зона
Мезофилл	Дифференцирован на столбчатую и губчатую ткань	Дифференцирован на основной мезофилл и клетки обкладки сосудистого пучка
Хлоропласты	Гранальные	Гранальные и агранальные
Первичные продукты фотосинтеза	ФГК‚ ФГА	ЩУК‚ аспартат‚ малат
Первичный акцептор СО2	РДФ	ФЕП
Ключевой фермент	РДФ-карбоксилаза	ФЕП-карбоксилаза
Фотодыхание	Есть	Нет
Продуктивность	Средняя	Высокая

САМ-метаболизм

Цикл Хетча и Слэка обнаружен также у растений-суккулентов (из родов Crassula, Bryophyllum и др.). Но если у С₄-растений кооперация достигнута за счет пространственного разделения двух циклов (включение СО₂ в органические кислоты в мезо­филле, восстановление в обкладке), то у суккулентов эти процес­сы разделены во времени. Для них не характерны структурные особенности С₄-растений, а существует суточный цикл метабо­лизма С₄-кислот с образованием яблочной кислоты ночью. В соответствии с английским выражением Crassulacean acid meta­bolism (САМ) этот тип фиксации СО₂ называют САМ-метаболизмом (рис. 17).

Рис. 17. САМ-путь фотосинтеза

Устьица у этих растений открываются ночью, что уменьшает потери воды растениями. СО₂, поступающий из атмосферы и освобождающийся в процессе дыхания, при участии ФЕП-карбоксилазы взаимодействует с фосфоенолпируватом, образуя щавелевоуксусную кислоту. Последняя восстанавливается до малата, который накапливается в вакуолях клеток листа. Это приво­дит к подкислению клеточного сока в ночное время. Днем при закрытых устьицах в условиях недостатка влаги малат транспор­тируется в цитоплазму и там декарбоксилируется с образованием СО₂, который включается в цикл Кальвина, участвуя в синтезе сахаров. Такой метаболизм СО₂ не может обеспечить высокой продуктивности растений, но позволяет им существовать в за­сушливых местообитаниях.