13. Светонезависимые стадии фотосинтеза. Цикл Кальвина.
Светонезависимая реакция (т. н. «темновая фаза» или Цикл Кальвина) является второй стадией фотосинтеза, в ходе которой диоксид углерода конвертируется в глюкозу. Глюкоза является источником энергии, обеспечивающим рост растений. Предполагается, что этот процесс, воспроизведённый в промышленных масштабах, поможет противостоять глобальному потеплению. Светонезависимая стадия фотосинтеза может быть использована для поглощения избыточного количества углекислого газа из атмосферы. Однако такой процесс будет требовать значительных источников энергии, как это происходит при фотосинтезе в растениях.
Цикл Кальвина наиболее распространенный путь восстановления углекислоты при фотосинтезе (исключение составляют зеленые бактерии) и хемосинтезе. Первичные продукты фотосинтеза и хемосинтеза (энергия в виде АТФ и восстановитель) используются в Ц. К. для превращения углерода в углеводы. СО2 присоединяется крибулозобисфосфату с участием фермента рибулозо–бисфосфаткарбоксилазы. Из полученного шестиуглеродного соединения образуется трехуглеродная фосфоглицериновая кислота, восстанавливаемая затем с использованием АТФ и НАДФ Н до трехуглеродных сахаров, из которых и образуется конечный продукт – глюкоза. Вместе с тем часть триозофосфатов претерпевает процесс конденсации и перестроек, превращаясь в рибуло–зомонофосфат, который фосфорилируется за счет АТФ до рибулозобисфосфата – первичного акцептора СО2, что и обеспечивает непрерывную работу цикла. По своей сути Ц.К. представляет собой обращенный пентозофосфатный окислительный путь расщепления сахаров.
14. С-4 и САМ-фотосинтез: физиологические и экологические особенности.
С4-путь фотосинтеза (цикл Хетча — Слэка)
Исследования показали, что в растениях, в которых процесс фотосинтеза протекает по С4-пути, имеются два типа клеток и хлоропластов:
1) мелкие гранальные пластиды в клетках мезофилла листа;
2) крупные пластиды, часто лишенные гран, в клетках обкладки, окружающих сосудистые пучки.
Клетки обкладки имеют утолщенные клеточные стенки, содержат большое количество хлоропластов и митохондрий, расположены вокруг сосудистых пучков в 1 или 2 слоя. Совокупность указанных особенностей анатомического строения получила название корончатой анатомии или корончатого синдрома (от слова kranz — корона). Хлоропласты разных типов клеток характеризуются не только особенностями строения, но и разным типам фосфорилирования. В клетках мезофилла по преимуществу происходит нециклическое фосфорилирование и образуется НАДФН, необходимый для цикла Кальвина, идущего в клетках обкладки. В хлоропластах клеток обкладки идет только циклическое фосфорилирование. Такое разделение типов фосфорилирования, возможно, связано с тем, что к хлоропластам клеток обкладки, расположенным в глубине листа, проникает по преимуществу более длинноволновый свет, который не поглощается фотосистемой, ответственной за разложение Н20. На первом этапе С4-пути углекислый газ, диффундирующий в лист через устьица, попадает в цитоплазму клеток мезофилла с мелкими хлоропластами, в которых и происходит реакция карбоксилирования фосфоенолпировиноградной кислоты (феп):
Реакция катализируется ферментом фосфоенолпируваткарбоксилазой (фепкарбоксилазой) с образованием щавелевоуксусной кислоты (оксалоацетат). ЩУК преобразуется в яблочную кислоту (малат) или аспарагиновую (аспартат). Восстановление до маната происходит в присутствии НАДФН, а для образования аспартата необходимо наличие NH4+. Затем яблочная (или аспарагиновая) кислота, по-видимому, по плазмодесмам передвигается в клетки обкладки. В клетках обкладки яблочная кислота декарбоксилируется ферментом малатдегидрогеназой до пировиноградной кислоты (пируват) и С02. Реакция декарбоксилирования может варьировать у разных групп растений с использованием разных ферментов. С02 поступает в хлоропласты клеток обкладки и включается в цикл Кальвина—присоединяется к РБФ. Пируват возвращается в клетки мезофилла и превращается в первичный акцептор С02 — ФЕП. Таким образом, при С4-пути реакция карбоксилирования происходит дважды. Это позволяет растению создавать запасы углерода в клетках. Акцепторы С02 (ФЕП и РБФ) регенерируют, что и создает возможность непрерывного функционирования циклов. Фиксация С02 с участием ФЕП и образованием малата или аспартата служит своеобразным насосом для поставки С02 в хлоропласты обкладки, функционирующих по С3-пути. Поскольку при таком механизме фотосинтеза принимают участие два типа клеток и два типа хлоропластов, этот путь называют еще кооперативным (Ю.С. Карпилов, 1970). Высказывается мнение, что С4-путь возник в процессе эволюции как приспособление к изменившимся условиям среды. При возникновении фотосинтеза атмосфера была значительно богаче С02 и беднее 02. Именно поэтому важнейший фермент цикла Кальвина Rubisco (РБФ-карбоксилаза/оксигеназа) может работать только при сравнительно высоких концентрациях С02. Благодаря деятельности самих растений состав атмосферы изменился: содержание С02 резко уменьшилось, а 02 возросло. В изменившихся условиях в осуществлении темновых реакций фотосинтеза появился ряд приспособительных черт. В частности, значительно увеличилось содержание фермента Rubisco, который составляет почти половину белков стромы хлоропластов. Вместе с тем у некоторых растений выработался особый, дополнительный путь связывания С02 с помощью ФЕП-карбоксилазы. Этот фермент обладает большим сродством к углекислоте и работает при концентрациях С02 во много раз более низких по сравнению с Rubisco. Установлено, что и сопротивление мезофилла диффузии С02 у С4-растений более чем в 3,5 раз меньше и составляет 0,3—0,8 см/с, в то время как у С3 — растений — 2,8 см/с.
Фиксация по С4-пути имеет еще ряд преимуществ. Растения С3-пути характеризуются высокой интенсивностью процесса, получившего название фотодыхания. Под фотодыханием понимают поглощение кислорода и выделение С02 на свету с использованием в качестве субстрата промежуточных продуктов цикла Кальвина. Как показали исследования, Rubisco (РБФ-карбоксилаза/оксигеназа) имеет двойственную функцию и может катализировать не только реакцию карбоксилирования цикла Кальвина: РБФ + С02 —> 2ФГК. Rubisco способна реагировать с 02, осуществляя оксигеназную реакцию, при этом образуется фосфогликолевая кислота:
РБФ + 02 -> ФГК + фосфогликолевая кислота.
Фосфогликолевая кислота через ряд превращений распадается с выделением С02. Таким образом, при фотодыхании часть промежуточных продуктов фотосинтеза теряется за счет выделения С02. Реакции окисления и карбоксилирования конкурируют друг с другом, а осуществление Rubisco карбоксилазной или оксигеназной функции зависит от содержания 02 и С02. Фотодыхание требует повышенной концентрации 02. Между тем, как уже упоминалось, в хлоропластах клеток обкладки концентрация 02 понижена, так как в них происходит только циклическое фосфорилирование, при котором вода не разлагается и 02 не выделяется. Вместе с тем в клетках обкладки повышена концентрация С02. Такие условия ингибируют процесс фотодыхания в клетках обкладки и поэтому растения С4-типа характеризуются очень низкой потерей С02 в результате фотодыхания.
Потери на фотодыхание у С3-растений особенно возрастают при повышении температуры и освещенности. В этой связи понятно, что растения С4 — это, главным образом, южные и даже тропические, которые получают дополнительные преимущества в смысле продуктивности фотосинтеза. Оптимум температуры для фотосинтеза у С3-растений 20—25°С, тогда как у растений С4 30—45°С. Светонасыщение фотосинтеза С4-растений также происходит при более высоких значениях интенсивности света, чем у С3-растений. Так, у растений С3-пути интенсивность фотосинтеза перестает увеличиваться при 50% от полного солнечного освещения, в то время как у С4-форм этого не происходит. Такие особенности С4-растений объясняют высокую интенсивность фотосинтеза при повышенных температуре и освещенности. Характерным признаком растений С4-пути является, наконец, то, что образование продуктов цикла Кальвина происходит в хлоропластах, расположенных непосредственно около проводящих пучков. Это благоприятствует оттоку ассимилятов и, как следствие, повышает интенсивность фотосинтеза. Различия между С3- и С4-растениями можно продемонстрировать, поместив их рядом в одной камере (например, кукурузу и бобы) при высокой температуре и освещенности. Окажется, что С02, выделяясь в процессе дыхания, постепенно переходит к кукурузе и соответственно изменяет темпы ее роста. Кукуруза как бы «съедает» растения бобов.
Показано, что С3-растения ассимилируют С02 на полном солнечном свету со скоростью 1—50 мг/дм2ч, а С4-растения — со скоростью 40—80 мг/дм2 ч. Кукуруза, сорго, просо, сахарный тростник являются одними из наиболее продуктивных культур. Так, интенсивность фотосинтеза у кукурузы 85 мг С02/дм2 ч, сорго — 55 мг С02/дм2 ч, тогда как у пшеницы всего 31 мг С02/дм2 ч. Высокая потенциальная продуктивность С4-растений наиболее полно реализуется при полном солнечном освещении и высокой температуре. Важной физиологической особенностью С4-растений является их высокая засухо- и термоустойчивость. По мнению ряда исследователей возникновению С4-пути фотосинтеза способствовали засушливые условия окружающей среды. Уже отмечалось, что пространственное разделение процессов позволяет растениям с С4-путем фотосинтеза осуществлять фиксацию углекислоты даже при относительно закрытых устьицах, поскольку хлоропласты клеток обкладки используют С02, накопленный в виде доноров С02 (малат или аспартат). Известно, что закрывание устьиц на наиболее жаркое время дня сокращает потери воды за счет транспирации. Вместе с тем С4-растения отличаются более экономным расходованием воды. Если С3-растения расходуют на образование 1 г сухого вещества 700—1000 г воды, то С4-растения — 300—400 г. Главной причиной пониженного расхода воды С4-растениями является то, что их устьица оказывают высокое сопротивление диффузии газов. При подвядании листьев и закрытии устьиц это сопротивление многократно возрастает для паров воды и в меньшей степени для С02. Низкая величина сопротивления диффузии клеток мезофилла для С02 у С4-растений при более высоком сопротивлении устьиц для Н20 благоприятствует повышению интенсивности фотосинтеза при пониженной транспирации. Понятно поэтому, что С4-растения имеют преимущество перед С3-растениями в засушливых местах обитания благодаря высокой интенсивности фотосинтеза даже при закрытых устьицах. Кроме того, им практически не угрожает опасность перегрева листьев, что связано с высокой термоустойчивостью. Показана солеустойчивость некоторых видов С4-растений, например, амаранта, и возможность их применения для фитомелиоративных целей.
САМ-путь фотосинтеза
Существует еще одна группа растений, имеющая особенности в осуществлении первичной фиксации С02. Это суккуленты, в частности кактусы и растения семейства Толстянковые (Crassulaceae). Поэтому этот тип фотосинтеза получил название Crassulaceae acid metabolism или САМ-метаболизм (САМ-путь). При функционировании САМ-пути устьица растений закрыты днем, когда интенсивность транспирации максимальна, и открыты ночью, когда потери воды минимальны. Это предохраняет растения от излишней потери воды, повышает их устойчивость к засухе. Химизм фиксации С02 при САМ-пути сходен с С4-путем, однако если у С4-растений фотосинтез разделен в пространстве, то при САМ-пути — во времени. У САМ-растений фиксация С02 происходит в ночное время, когда устьица открыты. С02 поступает в клетки листа и в цитоплазме при участии ФЕП-карбоксилазы присоединяется к фосфоенолпировиноградной кислоте (ФЕП) с образованием органических кислот (щавелевоуксусной кислоты). ЩУК восстанавливается до яблочной кислоты, которая накапливается в вакуолях клеток листа. Реакция идет при участии фермента малатдегидрогеназы (малик-фермент). Днем на свету, когда устьица закрыты, яблочная кислота транспортируется из вакуолей в цитоплазму, где происходит декарбоксилирование ЩУК с образованием С02 и пировиноградной кислоты. С02 передвигается в хлоропласта и с помощью РБФ-карбоксилазы/оксигеназы вступает в цикл Кальвина. Таким образом, в клетках этих растений содержится как ФЕП-карбоксилаза, так и РБФ-карбоксилаза/оксигеназа. Синтезируемые в дневные часы в цикле Кальвина углеводы используются как источники метаболитов (например, ФЕП), необходимых для повторения цикла.
Осуществление фотосинтеза по такому пути позволяет растениям максимально экономить воду и поддерживать процесс фотосинтеза в условиях острого водного дефицита. Однако САМ-путь не может обеспечить высокой продуктивности растений, поэтому данные растения медленно растут и не могут конкурировать с С3- и С4-растениями при менее экстремальных условиях. Возможна смена путей фиксации С02. При достаточном количестве воды растения с САМ-метаболизмом могут переходить на С3-путь. Так, показана способность Mesembryanthemum crystallinum L. (хрустальная травка) менять направленность метаболических процессов, переходя с С3-пути фотосинтеза на САМ в условиях действия различных стрессоров: водного, солевого, температурного. В научной литературе имеются указания о наличии и других путей связывания С02. Однако они еще недостаточно изучены. Важно также подчеркнуть, что на всех этапах фотосинтетического цикла промежуточные продукты могут претерпевать различные превращения в зависимости от условий среды. Именно это является основой для образования разнообразных продуктов фотосинтеза.