Биохимия растений

9.1.3. ФОТОДЫХАНИЕ

Изучение механизма действия фермента рибулозодифосфат-˝

карбоксилазы показало, что конкурентным ингибитором это˝го фермента является кислород, который конкурирует с СО2 ïðè âçà-

имодействии последнего с каталитическим центром фермен˝тного

белка. Поэтому при высокой концентрации кислорода и низко˝й концентрации СО2 в воздухе карбоксилирующая активность рибу-

лозодифосфаткарбоксилазы понижается, но усиливается ее˝ окси-

геназная способность, вследствие чего к рибулозо-1,5-дифосф˝ату

присоединяется не СО2, а кислород, в результате происходит рас-

щепление рибулозо-1,5-дифосфата на 3-фосфоглицериновую и фосфогликолевую кислоты:

Образовавшаяся фосфогликолевая кислота под действием с˝пе-

цифической фосфатазы подвергается гидролизу с образова˝нием

неорганического фосфата и гликолевой кислоты:

Гликолевая кислота подвергается дальнейшим превращения˝м в пероксисомах — субклеточных органеллах, функциональная дея-

тельность которых тесно связана с процессами, происходящ˝ими в

хлоропластах и митохондриях. В пероксисомах гликолевая к˝ислота окисляется с участием фермента гликолатоксидазы и превращается в глиоксиловую кислоту:

301

Продукт данной реакции Н2Î2 разлагается под действием каталазы на воду и кислород, а глиоксиловая кислота аминируется от глутаминовой кислоты, превращаясь в аминокислоту глиц˝ин:

Аминокислота глицин не накапливается в пероксисомах, а транспортируется из них в митохондрии, где участвует в си˝нтезе

аминокислоты серина. Эту реакцию катализируют ферменты глициндекарбоксилаза è серинтрансгидрооксиметилаза, содержащая в

активном центре в качестве кофермента тетрагидрофолиев˝ую кис-

лоту. В ходе реакции синтеза серина происходит также высв˝обождение СО2 è NH3, а также образование НАД · Н:

Образовавшийся в митохондриях серин может далее транспо˝р-

тироваться в пероксисомы и под действием аминотрансферазы ïå-

редавать аминогруппу на молекулы пировиноградной кисло˝ты. В

результате этой реакции серин превращается в гидроксипи˝ровиноградную кислоту, а пировиноградная кислота — в аминокис˝лоту аланин:

Гидроксипировиноградная кислота восстанавливается в гл˝ицериновую кислоту с участием дегидрогеназы:

302

Продукт этой реакции глицериновая кислота может затем в

хлоропластах фосфорилироваться и, превращаясь в 3-фосфогл˝и-

цериновую кислоту, включаться в реакции цикла Кальвина:

Таким образом, при взаимодействии пероксисом, хлороплас-

тов и митохондрий в фотосинтезирующих клетках растений о˝существляется процесс, связанный с поглощением О2 и высвобож-

дением СО2, который называют фотодыханием. Кислород прини-

мает участие в первой реакции, где он связывается вместо С˝Ос

2

молекулами рибулозо-1,5-дифосфата, и при окислении фосфогли˝-

колевой кислоты в пероксисомах. Выделение СО2 происходит в

митохондриях в ходе синтеза аминокислоты серина.

В связи с тем что при фотодыхании осуществляются превраще˝-

ния гликолевой кислоты — продукта разложения первичног˝о акцептора СО2, синтезируемого в реакциях цикла Кальвина, за счет таких превращений уменьшается количество связанной в хо˝де фотосинтеза СО2, в результате чего понижается урожайность расте-

ний. В опытах установлено, что в естественных условиях про˝изра-

стания при повышенных температурах, снижающих концентра˝- цию СО2 в хлоропластах, продуктивность растений вследствие интенсивного фотодыхания может снижаться на 30—40 %.

Исходя из этих данных, учеными-биохимиками сформулирова-

на важнейшая задача для селекционеров и генетиков — соз˝дание новых сортов сельскохозяйственных культур с пониженной˝ ско-

ростью фотодыхания. Одним из главных направлений такой ра˝боты является оптимизация структуры каталитического цент˝ра фер-

мента рибулозодифосфаткарбоксилазы, направленная на ус˝иле-

303

ние карбоксилазной и ослабление оксигеназной активност˝и этого фермента. Для решения указанной проблемы большие надежды˝ возлагаются на применение методов генетической и белков˝ой инженерии.

9.1.4. АССИМИЛЯЦИЯ СО2 Ó Ñ4-РАСТЕНИЙ

После открытия реакций цикла Кальвина различные исследо˝-

ватели изучали фотозависимое включение меченного 14С углерода

ÑÎ2 в первичные продукты фотосинтеза у разных групп расте-

ний. В ходе этих исследований было выяснено, что у зеленых в˝о-

дорослей и в листьях большинства растений умеренной зоны˝ первичным продуктом фотосинтеза, в который происходит ак˝-

тивное включение меченного 14С углерода СО2 при коротких

световых экспозициях, является С3-продукт — 3-фосфоглицери-

новая кислота, в связи с чем такие растения было предложен˝о

называть С3-растениями. Наряду с этим у многих растений тропического происхождения радиоактивный углерод СО2 сначала

включается в С4-продукты (щавелевоуксусная, яблочная, аспара-

гиновая кислоты), поэтому их называют С4-растениями. К ти-

пичным С4-растениям относятся кукуруза, сахарный тростник,

сорго, просо, амарант, лебеда, некоторые виды рода Euphorbia, многие тропические злаки.

Последовательность биохимических реакций, связанная с и˝с-

пользованием СО2 для синтеза дикарбоновых кислот в листьях

Ñ4-растений, впервые была представлена как циклический про-˝

цесс австралийскими учеными М. Д. Хетчем и К. Р. Слэком и п˝о- лучила название цикла Хетча—Слэка.

Ñ4-растения отличаются от С3-растений строением листа. Лис-

òüÿ Ñ4-растений пронизаны сетью сосудисто-волокнистых пучков,

которые окружены плотным слоем клеток обкладочной парен˝химы, а вокруг этих клеток расположен рыхлый слой мезофилла˝. В клетках обкладочной паренхимы находятся крупные хлороп˝ласты, почти не образующие гран; в них локализованы фермент рибу˝ло-

зодифосфаткарбоксилаза и другие ферменты, катализирующ˝ие ре-

акции цикла Кальвина, а в клетках мезофилла листа содержа˝тся типичные для фотосинтезирующих тканей хлоропласты, в кот˝о- рых происходят фотохимические реакции и осуществляется˝ синтез НАДФ · Н и АТФ.

Первичное связывание СО2 и включение его в состав органи- ческого вещества у С4-растений происходит в цитоплазме клеток

мезофилла с участием фермента фосфопируваткарбоксилазы

(4.1.1.31). Первичным акцептором СО2 служит фосфоенолпирови-

ноградная кислота. В ходе реакции образуются щавелевоукс˝усная кислота и неорганический фосфат:

304

(1)

В опытах показано, что непосредственно с первичным акцеп-˝

тором взаимодействует не СО2, а бикарбонат-ионы (НСО3–). Карбоксилирующий фермент фосфопируваткарбоксилаза предст˝авля-

ет собой белок с высокой молекулярной массой (~400 тыс.), вклю˝-

чающий 12 полипептидных субъединиц, с каждой из которых свя˝-

зан катион Mn2+. Молярная активность этого фермента во много

раз выше карбоксилирующей активности фермента цикла Кал˝ь- вина рибулозодифосфаткарбоксилазы, поэтому он способен˝ эф-

фективно катализировать образование щавелевоуксусной к˝ислоты

при низких концентрациях СО2, которые характерны для расте-

ний тропической зоны вследствие ухудшения растворимост˝и СО

2

в физиологической среде при повышенных температурах. Кро˝ме того, фосфопируваткарбоксилаза не взаимодействует с кис˝лоро-

дом и поэтому не может участвовать в фотодыхании, снижающ˝ем

выход фотосинтетических продуктов.

Синтезированная в цитоплазме клеток мезофилла щавелево˝ук-

сусная кислота затем поступает в хлоропласты и с участием˝ восстановленных динуклеотидов НАДФ · Н, являющихся продуктами

световой стадии фотосинтеза, превращается там в яблочную˝ кис-

лоту. Данную реакцию катализирует фермент малатдегидрогеназа:

(2)

Одновременно с превращением в яблочную кислоту щавелевоуксусная кислота может вступать в реакцию переаминирова˝ния с образованием аспарагиновой кислоты:

305

Затем яблочная кислота и аспартат диффундируют из клеток˝ мезофилла в клетки обкладочной паренхимы (рис. 9.5). В хлоро-˝

пластах этих клеток яблочная кислота подвергается окисл˝ительно-

му декарбоксилированию с участием фермента малатдегидрогеназы декарбоксилирующей (1.1.1.40) с образованием пировиноградной

кислоты и СО2:

(3)

Образовавшиеся в этой реакции СО2 и НАДФ · Н далее уча-

ствуют в реакциях цикла Кальвина, которые активно происхо˝дят в хлоропластах клеток обкладочной паренхимы. Чем интенсив˝нее в

них осуществляется декарбоксилирование, тем больше обра˝зуется

ÑÎ2 и НАДФ · Н и, следовательно, тем больше СО2 связывается с

первичным акцептором и восстанавливается до триоз в ходе˝ реак-

ций цикла Кальвина. Продукт декарбоксилирования яблочно˝й кислоты — пировиноградная кислота не используется в ци˝кле

Кальвина, а диффундирует в клетки мезофилла листа, в хлоро˝пла-

стах которых она снова превращается в первичный акцептор˝

ÑÎ2 — фосфоенолпировиноградную кислоту. Эту реакцию катализирует фермент пируватдикиназа (2.7.1.40), который способен за счет гидролиза макроэргической связи АТФ осуществлят˝ь фосфорилирование с участием неорганического фосфата:

(4)

У некоторых С4-растений (амарант, лебеда) декарбоксилирова-

ние яблочной кислоты происходит в митохондриях клеток об˝кла-

дочной паренхимы, и тогда в качестве биоэнергетического п˝ро-

дукта образуются восстановленные динуклеотиды НАД · Н.

306

Рис. 9.5. Взаимодействие цикла Хетча—Слэка и цикла Кальвина˝ у С-растений:

4

ФЕП — фосфоенолпировиноградная кислота; ЩУК — шавелев˝оуксусная кислота; МАЛАТ — яблочная кислота; АСПАРТАТ — аспарагиновая кислота; ПИР˝УВАТ — пировиноградная

кислота

Аспарагиновая кислота, синтезируемая в клетках мезофилл˝а

листа, в хлоропластах обкладочной паренхимы вступает в ре˝акции 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 про-

странстве биохимических процессов первичного связывани˝я СО

2

и образования продуктов темновой стадии фотосинтеза. Свя˝зывание СО2 происходит в клетках мезофилла листьев в ходе реакций

цикла Хетча—Слэка, и оно сопряжено с потреблением продукт˝ов

световой стадии фотосинтеза НАДФ · Н (при восстановлении ща-

велевоуксусной кислоты в яблочную) и АТФ (в ходе образован˝ия

первичного акцептора СО2 — фосфоенолпировиноградной кисло-

307

ты из пировиноградной). Образование же продуктов темново˝й стадии фотосинтеза осуществляется в клетках обкладочно˝й парен-

химы, в которых функционирует цикл Кальвина, а донорами СО˝

2

являются продукты цикла Хетча—Слэка (яблочная и аспараги˝новая кислоты), подвергающиеся в клетках обкладочной парен˝химы

декарбоксилированию и создающие высокую концентрацию С˝О

2

âэтих клетках.

Âходе декарбоксилирования яблочной кислоты в клетках об˝- кладочной паренхимы синтезируются также восстановленны˝е ди-

нуклеотиды НАДФ · Н (или НАД · Н у некоторых растений). Сл˝е-

довательно, основное назначение цикла Хетча—Слэка — св˝языва-

íèå ÑÎ2 с помощью фермента фосфопируваткарбоксилазы и пе-

ренос его в виде яблочной и аспарагиновой кислот из клето˝к

мезофилла в клетки обкладочной паренхимы, где происходит˝ выс-

вобождение и создание высокой концентрации СО2, необходимой

для более эффективной работы фермента цикла Кальвина риб˝уло-

зодифосфаткарбоксилазы.

Одновременно с транспортом СО2 осуществляется также пере-

нос из клеток мезофилла в клетки обкладочной паренхимы и ˝вос-

становительного потенциала, так как при образовании ябло˝чной кислоты в клетках мезофилла потребляются восстановленн˝ые

динуклеотиды НАДФ · Н, которые снова синтезируются при де-

карбоксилировании яблочной кислоты в клетках обкладочн˝ой паренхимы. Дополнительная энергия в виде молекул АТФ затрач˝и-

вается в клетках мезофилла только на регенерацию первичн˝ого

акцептора СО2 — фосфоенолпировиноградной кислоты, что и определяет в целом дополнительные энергетические затраты˝ на функ-

ционирование реакций цикла Хетча—Слэка. Эти дополнитель˝ные

затраты энергии составляют у С4-растений около 15 % всего коли- чества энергии, потребляемого растениями для образовани˝я фотосинтетических продуктов.

Однако, если учитывать, что С4-растения обычно произрастают

âзасушливой зоне с высокой интенсивностью солнечной рад˝иации, дополнительные затраты на функционирование цикла Хе˝т- ча—Слэка у них не лимитированы солнечной энергией и поэто˝му не снижают эффективности фотосинтеза. Наоборот, у этих ра˝сте-

ний более интенсивно происходит связывание СО2 благодаря действию фермента фосфопируваткарбоксилазы, который не вза˝имодействует с кислородом и, следовательно, не инициирует ре˝акции

фотодыхания, снижающие продуктивность фотосинтеза. И это˝т

фермент имеет очень сильно выраженную субстратную специ˝фич-

ность по отношению к СО2, поэтому способен эффективно связывать СО2 даже при низких его концентрациях, тогда как при таких

условиях карбоксилирующая активность фермента рибулозо˝ди-

308

фосфаткарбоксилазы у С3-растений очень сильно подавляется. Максимальная скорость включения СО2 в органические продукты

ó Ñ4-растений может достигать 40—60 мг на 1 см2 поверхности ли-

ñòà, ÷òî â 1,5 ðàçà âûøå, ÷åì ó Ñ3-растений.

Исходя из указанных выше преимуществ перед С3-растениями, С4-растения имеют более высокий коэффициент использования˝

солнечной энергии и поэтому способны давать более высоки˝й вы-

ход биомассы на единицу возделываемой площади сельскохо˝зяйственных угодий. Наибольшие преимущества перед С3-растения-

ми они имеют в засушливых регионах, так как способны эффек˝-

тивно связывать СО2 даже при почти закрытых устьицах листьев, когда в них сильно понижается концентрация СО2. В более про-

хладных и влажных регионах, где интенсивность солнечной р˝ади-

ации понижена, С3-растения получают определенные преимущества перед С4-растениями, так как им не требуется дополнитель-

ная энергия для фиксации СО2, связанная с функционированием

цикла Хетча—Слэка.

У суккулентных растений (сем. Сrassulaceae), которые также хорошо адаптированы к засушливым условиям, биохимически˝е

процессы связывания СО2 и включения его в реакции цикла Каль-

вина разграничены во времени. Поскольку у этих растений д˝нем

устьица закрыты и нет поступления СО2 из окружающей атмосфе-

ры, поглощение и связывание его происходит ночью под дейс˝твием фермента фосфопируваткарбоксилазы, локализованного ˝в ци-

топлазме клеток листа. Под действием этого фермента СО2 присо-

единяется к фосфоенолпировиноградной кислоте, и таким об˝ра-

зом осуществляется синтез щавелевоуксусной кислоты, кот˝орая

затем восстанавливается в яблочную кислоту. Последняя ко˝нцент-

рируется в вакуолях клеток листа. Первичный акцептор СО2 фосфоенолпировиноградная кислота образуется в результате ˝расщеп-

ления крахмала и осуществления реакций пентозофосфатно˝го

цикла (см. раздел 9.3). Крахмал же накапливается днем, когда и˝н- тенсивно происходят поглощение солнечной энергии и синт˝ез НАДФ · Н и АТФ, необходимых для функционирования цикла Кальвина. Продукты этого цикла активно используются для о˝бра-

зования фотосинтетического крахмала.

Источником СО2 для функционирования цикла Кальвина в

дневное время служит яблочная кислота, которая накаплива˝ется в вакуолях ночью. Она диффундирует в цитоплазму клеток и по˝д-

вергается там декарбоксилированию под действием декарб˝окси-

лирующей малатдегидрогеназы и высвобождает СО2, который поступает в хлоропласты и связывается там под действием фер˝мента рибулозодифосфаткарбоксилазы, а затем подвергается восстановлению до уровня сахаров в реакциях цикла Кальвина. В резул˝ьтате

309

декарбоксилирования яблочной кислоты образуется также ˝пировиноградная кислота, которая под действием фермента пиру˝ват-

дикиназы фосфорилируется и превращается в фосфоенолпир˝ови-

ноградную кислоту. В дальнейшем фосфоенолпировиноградн˝ая кислота через ряд промежуточных реакций (см. раздел 9.3) пре-˝ вращается в триозофосфаты, которые затем участвуют в синт˝езе

глюкозо-6-фосфата, используемого для образования фотосинт˝ети-

ческого крахмала.

9.1.5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПРИ ФОТОСИНТЕЗЕ

Как было показано ранее, в ходе фотохимических реакций дл˝я образования одной молекулы О2 пигментными комплексами фо-

тосистем I и II поглощается восемь квантов света. Поглотив один

квант красного света, молекулы хлорофилла в реакционных ц˝ентрах фотосистем переходят в первое синглетное возбужденн˝ое со-

стояние, из которого энергия возбуждения может быть испол˝ьзо-

вана для осуществления фотохимических реакций, связанны˝х с инициированием транспорта электронов в мембранах хлоро˝плас-

тов. Если же поглощается квант синего света, обладающего з˝начи-

тельно большей энергией, то молекулы хлорофилла переходя˝т во второе синглетное возбужденное состояние, из которого — в˝ пер-

вое синглетное возбужденное состояние, потеряв часть эне˝ргии в

виде теплоты. Поэтому при поглощении как красного, так и си˝- него света полезное использование энергии происходит то˝лько

из первого синглетного возбужденного состояния и, следовательно, фотосинтетическая активность одного кванта красного˝ и синего света одинакова. Учитывая, что энергия 1 моля красного˝ света (1 эйнштейн) в среднем равна 176 кДж, можно рассчитать общее количество поглощенной энергии для образования 1 мо˝ля О2 : 176 кДж · 8 молей красного света = 1408 кДж.

Из суммарного уравнения фотосинтеза видно, что при образо˝- вании 1 моля О2 происходит поглощение 1 моля СО2, на восстановление которого до уровня фруктозо-6-фосфата в реакциях˝ цикла Кальвина затрачивается 2 моля НАДФ · Н и 3 моля АТФ. Исходя из этого, можно определить энергетические затраты˝ на ассимиляцию хлоропластами 1 моля СО2. Изменение свободной

энергии при синтезе 1 моля АТФ при стандартных условиях со˝-

ставляет 30,6 кДж, а 3 молей АТФ — 91,8 кДж. При восстановле-

íèè 1 ìîëÿ ÍÀÄÔ+ до уровня НАДФ · Н изменение свободной энергии при стандартных условиях равно 219,8 кДж, тогда как

2 молей НАДФ+ — 439,6 кДж. Общее количество энергии, которое

310