Биохимия растений

затрачивается на восстановление 1 моля СО2 до уровня гексозы, соответственно равно 91,8 + 439,6 = 531,4 кДж, которое составляет

≈38 % поглощенной энергии восьми квантов света. Определенно˝е

количество поглощенной энергии может затрачиваться так˝же на другие энергетические процессы, происходящие в листьях р˝астений (транспорт веществ и ионов через мембраны, синтез жирн˝ых

кислот, восстановление нитратов и др.).

Образовавшиеся в цикле Кальвина молекулы фруктозо-6-фос- фата и других фосфорнокислых эфиров моносахаридов, а такж˝е

фосфоглицериновой кислоты далее используются на синтез˝ раз-

личных органических веществ или подвергаются окислению˝ в ходе дыхательных реакций. На каждом этапе их превращений

только часть выделяющейся энергии может быть полезно исп˝оль-

зована, тогда как значительное ее количество рассеиваетс˝я в виде теплоты, флуоресценции, испарения и др. Поэтому в конечном˝

итоге на прирост биомассы растений расходуется всего лиш˝ь 1—

2 % всей поглощенной световой энергии, которую называют фотосинтетически активной радиацией (ÔÀÐ).

Перед учеными и специалистами, которые занимаются выра-

щиванием растений, стоит важная задача — повышение эффе˝к- тивности использования солнечной энергии в агроценозах˝. Осо-

бого внимания заслуживают селекционно-генетические и ге˝нно-

инженерные проекты, направленные на создание генотипов с˝ повышенной карбоксилирующей активностью фермента рибуло-

зодифосфаткарбоксилазы.

9.1.6. КОНЕЧНЫЕ ПРОДУКТЫ ФОТОСИНТЕЗА

Образовавшиеся в цикле Кальвина С3-продукты (3-фосфогли- цериновая кислота, 3-фосфоглицериновый альдегид и фосфоди˝- оксиацетон), а также фруктозо-6-фосфат не накапливаются в х˝лоропластах. Они участвуют в синтезе сахарозы, крахмала, ами˝нокислот, органических кислот, липидов и белков как непосре˝д- ственно в хлоропластах, так и в цитоплазме фотосинтезирую˝щих клеток. Фруктозо-6-фосфат в значительном количестве изоме˝ризуется в глюкозо-6-фосфат, который далее используется для с˝интеза крахмала. Содержание крахмала может достигать 90 % общ˝его объема хлоропластов.

Синтез сахарозы происходит в цитоплазме, в которую легко

диффундируют из хлоропластов фосфоглицериновая кислота˝,

фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон. Из трио˝з по известным механизмам образуются гексозы, а уже с их участ˝ием

синтезируются молекулы сахарозы (см. с. 376—378). Бó льшая

311

Рис. 9.6. Перенос энергетических (АТФ) и восстановительных п˝отенциалов (НАД · Н и НАДФ · Н) из хлоропласта в цитоплазму:

ФДА — фосфодиоксиацетон; ФГА — фосфоглицериновый альдегид; 1,3-ДФГК — 1,3-дифосфо- глицериновая кислота; ЩУК — шавелевоуксусная кислота; М˝АЛАТ — яблочная кислота

часть синтезированной в цитоплазме сахарозы транспорти˝руется в

акцепторные клетки по флоэме.

В ходе фотосинтеза в цитоплазме инициируются и другие про˝- цессы: синтез жирных кислот, восстановление нитратов и су˝льфа-

тов, образование липидов, белков и других веществ. Для их ос˝уще-

ствления необходимы биоэнергетические продукты в виде А˝ТФ и

восстановленных динуклеотидов НАДФ · Н и НАД · Н. Но они очень слабо проникают через оболочку хлоропластов. Поэто˝му для их переноса из хлоропластов в цитоплазму выработаны с˝пециальные механизмы.

Перенос в цитоплазму макроэргических связей АТФ осущест˝в-

ляется в результате взаимных превращений фосфоглицерин˝овой кислоты и фосфодиоксиацетона, при этом также происходит перенос восстановительного потенциала НАД · Н (рис. 9.6). Указанные С3-продукты легко диффундируют через оболочку хлоро-

пластов. В цитоплазме фосфодиоксиацетон изомеризуется в˝ 3-фос-

фоглицериновый альдегид, который далее под действием фер˝мента триозофосфатдегидрогеназы фосфорилируется с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты. В ходе реакции также образ˝у-

ются восстановленные динуклеотиды НАД · Н. Затем остато˝к ор-

тофосфорной кислоты с макроэргической связью переносит˝ся на

АДФ, и таким образом осуществляется синтез АТФ. Эту реакци˝ю

катализирует фермент фосфоглицераткиназа.

312

Образовавшаяся в цитоплазме фосфоглицериновая кислота ˝далее диффундирует в хлоропласты, включается там в реакции ˝цик-

ла Кальвина и снова превращается в фосфодиоксиацетон, спо˝соб-

ный вновь перемещаться в цитоплазму и т. д.

Одним из механизмов переноса восстановительного потенц˝иа-

ла НАДФ · Н из хлоропластов в цитоплазму является взаимное превращение яблочной и щавелевоуксусной кислот. Щавелев˝о-

уксусная кислота легко проникает через оболочку хлоропл˝астов

и подвергается в них превращению в яблочную кислоту с участи-

ем НАДФ · Н под действием фермента малатдегидрогеназы. Затем

яблочная кислота диффундирует в цитоплазму и там окисляе˝тся с участием дегидрогеназы в щавелевоуксусную кислоту. При э˝том

происходит образование НАДФ · Н:

После этого щавелевоуксусная кислота вновь диффундируе˝т в хлоропласты и там превращается в яблочную кислоту и т. д. В˝ результате каждого такого превращения в хлоропласте потре˝бляются восстановленные динуклеотиды НАДФ · Н, а в цитоплазме ре˝ге-

нерируются.

Выход продуктов фотосинтеза зависит от условий окружающ˝ей среды, которые могут стимулировать или ингибировать биох˝ими- ческие реакции при фотосинтезе. К важнейшим факторам, неп˝осредственно влияющим на процесс фотосинтеза, относятся ин˝тен-

сивность и состав солнечной радиации, концентрация в атмо˝сфе-

ðå ÑÎ2 è Î2, температура, обеспеченность влагой и элементами питания.

На световую стадию фотосинтеза решающее влияние оказыва˝ет

интенсивность солнечной радиации. Образование продукто˝в фо-

тосинтеза начинается при освещенности, составляющей 1 % п˝олного солнечного света, однако максимальная скорость фото˝синте-

за наблюдается у разных видов растений при освещенности 1˝0—

313

40 тыс. лк, тогда как в ясный солнечный день уровень освещенности может достигать 100 тыс. лк. Чрезмерно высокая интенсив-˝

ность солнечной радиации может повреждать пигментные си˝сте-

мы фотосинтезирующих клеток и ингибировать фотосинтез.

На образование конечных продуктов фотосинтеза существе˝н- ное влияние оказывает состав солнечной радиации. Если в н˝ей

увеличивается доля коротковолнового света (синих лучей)˝, то в

фотосинтезирующих органах уже при коротких экспозициях инициируется включение углерода СО2 в неуглеводные продук-

ты — аланин, аспарагиновую, яблочную, лимонную, глутамино˝-

вую кислоты, серин, а через несколько минут меченый углеро˝д СО2 обнаруживается в значительном количестве в составе бел-

ков. При увеличении доли длинноволнового света (красных л˝у-

чей) меченый углерод СО2 при коротких экспозициях более интенсивно включается в моносахариды и их фосфорнокислые

эфиры, а при 5-минутной и более длительных экспозициях — в˝

состав крахмала.

Кроме того, в опытах отмечено, что скорость фотосинтеза за˝-

метно возрастает при добавлении к красному свету небольшого

количества синего света (до 20 %), который действует в опреде˝- ленной степени как регулятор фотохимических реакций. Уве˝личе-

ние интенсивности синтеза азотистых веществ под действи˝ем си-

него света также связано с его регуляторным действием на ˝ферменты, катализирующие реакции обмена азотистых веществ. Вы-

яснено, что у этих ферментов роль хромофоров, поглощающих˝

синий свет, выполняют флавиновые группировки.

Темновая стадия фотосинтеза зависит от концентрации СО2,

оптимум которой для С3-растений составляет 0,1—0,3 %, тогда как среднее его содержание в атмосфере — 0,03 %. При такой конце˝н- трации СО2 интенсивность фотосинтеза у С3-растений достигает лишь 50 % максимальной. Поэтому для тепличных культур разра˝- батывают специальные технологии выращивания растений в˝ атмосфере с повышенной концентрацией СО2. Как было показано ранее, при пониженных концентрациях СО2 в атмосфере более эффективно осуществляют фотосинтез С4-растения, у которых первичное связывание СО2 катализирует фермент фосфопируваткарбоксилаза, обладающий более высокой карбоксилирующе˝й активностью и не способный инициировать процесс фотодыхан˝ия. У С3-растений интенсивность темновой стадии фотосинтеза

также в значительной степени определяется концентрацие˝й О.

2

При понижении ее в окружающей среде до 3—5 % увеличивается

выход продуктов фотосинтеза за счет ослабления оксигена˝зной реакции, которую катализирует фермент рибулозодифосфат˝кар-

боксилаза в условиях повышенной концентрации О2.

314

Все ферментативные реакции темновой и световой стадий фо˝- тосинтеза зависят от температуры окружающей среды, и при ˝ее

повышении их скорости возрастают как и при любом химическ˝ом

процессе. Однако при температурах свыше 35 °С наблюдаются˝ солнечные ожоги листьев, что приводит к повреждению пигме˝нтных и других фотосинтетических структур, в результате кот˝орого

интенсивность фотосинтеза понижается. Температурный оп˝тимум

Ñ3-растений наблюдается при 25 °С, а у С4-растений повышается до 35 °С.

Обеспеченность растений водой оказывает как прямое, так и˝

косвенное влияние на фотосинтез. Вода непосредственно по˝требляется в реакциях фотосинтеза и является источником кисл˝орода.

Кроме того, она служит основой жидкой физиологической сре˝ды

растительных клеток, включая и хлоропласты, и при ее недос˝татке нарушается функционирование мембранных структур и всле˝д-

ствие усиления вязкости этой среды понижаются скорости ф˝ер-

ментативных реакций. Водный режим растений также влияет н˝а работу устьиц, которые регулируют поступление во внутрен˝нюю

физиологическую среду СО2 из атмосферы. При дефиците и из-

бытке воды устьица закрываются.

Для формирования и функционирования фотосинтетических

структур растений также необходим довольно сложный комп˝лекс

различных химических элементов, которые должны содержат˝ься в фотосинтезирующих клетках в оптимальных концентрациях.˝ Не-

достаток или избыток питательных элементов понижает инт˝ен-

сивность фотосинтеза, оказывая влияние на его световую ил˝и темновую стадию, работу каталитических и мембранных структу˝р

хлоропластов, взаимодействие компонентов электронтранс˝портных цепей и т. д. Роль отдельных химических элементов в про˝цессе фотосинтеза показана в данной главе при изложении конк˝ретных механизмов фотохимических и других реакций.

Следует также отметить воздействие на фотосинтетически˝й аппарат растений различных химических загрязнителей окру˝жающей среды. Так, например, выяснено, что сернистый газ промыш˝- ленных выделений даже в малых концентрациях повреждает л˝истья многих растений, в результате чего понижается выход ф˝отосинтетических продуктов и происходит недобор урожая сельскохозяйственных культур.

Некоторые фотосинтезирующие организмы (одноклеточные

водоросли, некоторые бактерии) образуют в анаэробных усл˝овиях

в качестве основного продукта жизнедеятельности молеку˝лярный

водород, который может использоваться в энергетике стран˝ы как высокоэффективное топливо. В связи с этим проводятся иссл˝едо-

вания по созданию искусственных биологических систем, облада-

315

ющих способностью улавливать солнечную энергию и превра˝щать ее в химическую энергию молекул водорода.

Значительный интерес представляет процесс фотолиза вод˝ы, который катализируют реакционные центры фотосистемы II, л˝о-

кализованные в мембранах хлоропластов растений и водоро˝слей:

2Í2Î ¾¾¾¾¾¾®Ñâåò Î2 + 4Í+ + 4å

Хлоропласты

В фотохимических реакциях электроны и протоны, образую-

щиеся при фотолизе воды, затрачиваются на синтез восстано˝влен-

ных динуклеотидов НАДФ · Н. Однако с помощью гидрогеназной

ферментной системы они могут восстанавливаться до молек˝улярного водорода:

2å +2Í+ ¾¾¾¾¾®Гидрогеназа Í2

Созданная в 1973 г. первая искусственная биологическая сист˝е-

ма для фотосинтетического получения водорода включала и˝золированные хлоропласты высших растений, ферредоксин и ферм˝ент-

ный комплекс гидрогеназы, выделенный из бактерий.

9.1.7. ФОТОСИНТЕЗ У БАКТЕРИЙ

Клетки фотосинтезирующих бактерий отличаются по своей структуре от клеток растений и эукариотических водоросл˝ей. В них нет хлоропластов и пигменты локализованы в цитоплазм˝ати-

ческих мембранах. Главный пигмент большинства фотосинте˝зи-

рующих бактерий — бактериохлорофилл. У таких бактерий отсутствует белково-пигментный комплекс фотосистемы II, поэтом˝у не

происходит фотоокисления воды при фотосинтезе. В качеств˝е до-

норов электронов для реакций фотосинтеза они используют˝ не воду, а другие соединения: H2S, Í2, органические вещества. В свя-

зи с этим у них функционирует только фотосистема I.

Цианобактерии (синезеленые водоросли), как и другие фотосинтезирующие бактерии, не имеют хлоропластов, но главный˝

пигмент у них — хлорофилл, который входит в состав белков˝о- пигментных комплексов как фотосистемы I, так и фотосистем˝ы II. Поэтому у цианобактерий в качестве донора водорода для ф˝о- тосинтетических реакций, как и у растений, используются м˝олекулы воды, в результате фотолиза которых выделяется О2.

316

У галофильных бактерий (Íalobacterium halobium) роль светопоглощающего пигмента выполняет родопсиноподобный бело˝к с

молекулярной массой 26 000, входящий в состав поверхностной

мембраны, окружающей цитоплазму. Этот белок получил назва˝- ние бактериородопсина. В качестве активной группировки в нем содержится ретиналь — альдегидная форма витамина А. Пеп˝тид-

ные цепи бактериородопсина образуют спиралевидные стру˝ктуры,

вытянутые вдоль длинной оси их молекулы, но расположены о˝ни перпендикулярно по отношению к плоскости мембраны. На дол˝ю

бактериородопсина приходится до 75 % общей массы поверхно˝ст-

ной цитоплазматической мембраны.

При поглощении света бактериородопсин инициирует перен˝ос

электронов по электронтранспортной цепи, приводящей в де˝й-

ствие Н+-помпу, способную перемещать протоны через цитоплазматическую мембрану на ее внешнюю поверхность, созда˝вая

трансмембранный электрохимический потенциал. В дальней˝шем

энергия трансмембранного потенциала используется для о˝существления ионного транспорта и синтеза АТФ в клетках галоф˝иль-

ных бактерий, при этом фотолиза воды не происходит.

По способу питания фотосинтезирующие бактерии подразде˝- ляются на две группы — фотоавтотрофные è фотогетеротрофные.

Первые способны использовать в качестве источника углер˝ода для

синтеза органических веществ СО2 воздуха или другой окружающей среды, вторые — различные органические вещества.

К типичным фотоавтотрофным бактериям относятся зеленые˝ и

пурпурные серобактерии. В их клетках найдены ферментные с˝истемы, которые способны с участием восстановленного ферре˝док-

сина катализировать присоединение СО2 к ацетилили сукцинилкоферменту А:

317

Образующиеся в ходе этих реакций продукты могут включать˝ся

в различные биохимические превращения, связанные с обесп˝ече- нием жизнедеятельности рассматриваемых бактерий.

У некоторых пурпурных бактерий при фотосинтезе происход˝ит накопление аспарагиновой кислоты, которая синтезируетс˝я из 3-фосфоглицериновой кислоты, образующейся в результате пр˝исоединения СО2 к рибулозо-1,5-дифосфату. Фосфоглицериновая кислота превращается в фосфоенолпировиноградную кислот˝у, которая, подвергаясь карбоксилированию, образует щавелево˝уксус-

ную кислоту. Затем из щавелевоуксусной кислоты в результа˝те реакции переаминирования может синтезироваться аспарагин˝овая

кислота.

К фотогетеротрофным относятся галобактерии и некоторые˝

разновидности пурпурных несерных бактерий. Под действие˝м света они способны использовать в качестве субстрата пит˝ания для превращения в продукты жизнедеятельности уксусную, п˝ировиноградную кислоты и некоторые другие органические вещ˝ества.

9.2. АССИМИЛЯЦИЯ СО2 ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Известна большая группа хемоавтотрофных бактерий, котор˝ые для синтеза органических веществ используют в качестве и˝сточ- ника углерода СО2, а энергию для этих процессов получают в результате окисления неорганических веществ: сероводород˝а, серы, аммиака, нитритов, водорода, восстановленных форм железа ˝и марганца и некоторых других неорганических соединений. С˝интез органических веществ из СО2 за счет энергии, полученной не от солнечных лучей, а с помощью химических реакций, получил н˝а-

звание хемосинтеза. Типичным примером хемоавтотрофных орга-

318

низмов являются бесцветные серобактерии (Òhiobàcillus), которые получают энергию для восстановления СО2 в органические вещества в результате окисления сероводорода или серы:

2H2S + O2 → 2H2O + S2 + G

S2 + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 + G

Высвобождающаяся при окислении указанных веществ энер-

гия используется для синтеза АТФ и других нуклеозидполиф˝осфатов, которые участвуют в синтезе органических веществ, об˝разуемых из СО2. Как было установлено в опытах с меченым углеродом, первичным акцептором СО2 у этих и других хемоавтотроф-

ных бактерий служит рибулозо-1,5-дифосфат и продуктом этой реакции, как и в хлоропластах растений, является 3-фосфогли˝це- риновая кислота.

Нитрофицирующие бактерии в качестве источника энергии и˝с- пользуют восстановленные формы азота в виде аммиака и нит˝ритов, которые они с помощью своих ферментов подвергают оки˝с-

лению кислородом:

2NH3 + 3Î2 → 2HNO2 + 2H2O + G (Nitrosomonàs) 2HNO2 + O2 → 2HNO3 + G (Nitrobàcter)

Эти бактерии играют важную роль в круговороте азота в био˝- сфере и формировании плодородия почвы, так как от их деяте˝ль-

ности зависит процесс нитрификации, обогащающий почву ни˝т- ратной формой азота.

Хемоавтотрофные бактерии, способные окислять восстанов˝- ленные формы железа и марганца, по-видимому, стали источни˝-

ком отложения железных и марганцевых руд. Они также спосо˝бны

использовать энергию химических реакций окисления для с˝инте-

за органических веществ путем ассимиляции СО2.

Частичное усвоение СО2 происходит даже в клетках гетеротрофных организмов. Выявлено несколько типов реакций, в к˝ото-

рых происходит связывание СО2 с органическими субстратами. Под действием соответствующих ферментов карбоксилирова˝нию

подвергаются некоторые кетокислоты, например пировиног˝рад-

ная кислота:

319

Хорошо известный путь гетеротрофного карбоксилирования˝ — присоединение СО2 к фосфоенолпировиноградной кислоте. Такие реакции изучены у растений и автотрофных бактерий. Ро˝ль катализатора в них выполняет фермент фосфопируваткарбоксилаза. Причем фиксация СО2 под действием данного фермента происходит в нефотосинтезирующих клетках.

В клетках растений, микроорганизмов и животных найден фер˝- мент фосфопируваткарбоксикиназа, который катализирует присое-

динение СО2 к фосфоенолпировиноградной кислоте с участием

ГДФ, при этом образуется щавелевоуксусная кислота и ГТФ:

К важным реакциям карбоксилирования следует отнести син˝- тез карбамоилфосфата, катализируемый ферментом карбамоилфосфатсинтетазой. Источником углерода в этой реакции служит

бикарбонат-ион (НСО3–):

Образовавшийся карбамоилфосфат далее используется в си˝нтезе пиримидиновых нуклеотидов, а также в реакциях орнитино˝вого

цикла (см. гл. 11 и 12).

С участием ферментов фосфопируваткарбоксилазы и фосфопируваткарбоксикиназы в клетках корней растений, по-види˝мо- му, осуществляется усвоение СО2, поступившего из почвы. Фос-

фоенолпировиноградная кислота образуется в них в ходе ды˝ха-

тельных реакций. Продукт реакций гетеротрофного карбокс˝или-

рования — щавелевоуксусная кислота может далее включат˝ься в

реакции цикла Кребса и вместе с другими продуктами этого ˝цикла

320