Путь с4 Хетча и Слэка

Эффективность на уровне клетки выше, чем у С3, почти в 2 раза.

Смысл – устранение из зоны цикла Кальвина компонента (О₂), тормозящего карбоксилирование и стимулирующего фотодыхание. Для этого разные реакции разделены в разные клетки.

В клетках протекания цикла Кальвина (обкладка) нет гран, нет фотолиза воды. Эффект – О₂ в зоне протекания цикла Кальвина не выделяется, поэтому скорость карбоксилирования выше, а фотоокисления (фотодыхания) – ниже. Донор СО₂ и Н⁺ для синтеза сахаров – С4 кислота (малат (яблочная кислота) или аспартат), приходит из клеток мезофилла (где идёт фотолиз и синтез надф*Н), при её окислении образуется надф*Н и СО₂. Затем бывшие аспартат и малат, возвращаются в мезофилл С₃ кислотами (пируват или аланин).

В клетке мезофилла С3-кислота (ФЕП) фиксирует углекислоту, превращаясь в С4 кислоту (ЩУК, щавелевоуксусная кислота, оксалоацетат)

Здесь же щавелевоуксусная кислота доукомплектовывается Н⁺, превращаясь в яблочную (малат).

В обкладке малат, окисляясь, вырабатывает компоненты для цикла Кальвина (СО², НАДФ*Н и Н⁺), и превращается в С3-кислоту.

Фотосинтез по типу толстянковых (сам-метаболизм; «Crassulaceae acid metabolism»)

Для многих суккулентных растений, как, например, Kalanchoe spp., Sedum spp., обитающих в засушливых, безводных условиях, характерен особый тип С4-фотосинтеза. У этих растений днем устьица обычно закрыты, что предотвращает потерю воды. Ночью устьица отрываются, СО₂ начинает проникать в клетки листа, запускаются реакции, свойственные С4-пути фотосинтеза. Днем С4-кислоты декарбоксилируются, а выделяющийся при этом СО₂ фиксируется в С3-пути фотосинтеза.

Синтез крахмала и сахарозы

И нерастворимый крахмал в хлоропластах, и растворимая сахароза в цитоплазме синтезируются через эту реакцию. Преобладающее направление реакции определяется концентрацией РО3-. Когда в цитоплазме много неорганических фосфатов, эти фосфаты проникают в хлоропласты, а исходные для реакции вещества (ФГА) из хлоропласта в обмен на них выносятся в цитоплазму, и, в результате, синтезируется много сахарозы. Если фосфатов мало, исходные компоненты не покидают хлоропласт, поэтому синтезируется только крахмал.

Цель занятия: Методом крахмальной пробы обнаружить фотосинтез.

Материалы и оборудование: растения, выдержанные в течение 2-3 суток в темноте; спирт; раствор I в KI (концентрированный раствор, разбавленный в 3 раза водой); 30 %-ный раствор щелочи; лампа электрическая; ножницы; пинцет; штатив с пробирками; спиртовка; конические колбы; чашки Петри; водяная баня; пробковые кружки диаметром 1-1,5 см с булавкой; электроплитка; стеклянный колпак; вазелин; стаканчики; воронка; нож; спички; цветные карандаши; картон; канцелярские скрепки.

Вводные пояснения

Метод крахмальной пробы является наиболее простым для обнаружения фотосинтеза. Принцип метода заключается в том, что лист, выдержанный на свету, обесцвечивают спиртом, а затем обрабатывают раствором йода, окрашивающего образовавшийся в хлоропластах крахмал в темно-синий цвет. Опыт проводят с листьями, срезанными и поставленными в воду, у которых крахмал накапливается быстрее, так как отток отсутствует.

Для наблюдения за процессом образования первичного крахмала необходимо, чтобы в начале опыта листья не содержали этого вещества. Обескрахмаливания листьев можно достичь, выдерживая их в течение нескольких дней в темноте; за это время весь имевшийся в листьях крахмал превратится в сахара, которые будут частично отведены в стебель, а частично израсходованы на дыхание клеток листа.

Ход работы

Обильно полить растение и выдержать его в течение 2-3 дней в темноте (или закрыть отдельные листья светонепроницаемыми чехлами).

Проверить полноту обескрахмаливания листа, для чего отрезать кусочек листа, поместить в пробирку с водой и прокипятить, чтобы убить клетки. Воду слить, прилить спирт и кипятить на водяной бане до полного извлечения пигментов. Нагревать следует осторожно, так как при бурном кипении может произойти выплескивание спирта из пробирки. Слить спирт, размягчить кусочек листа, наливая на него небольшое количество воды (после действия спирта ткани становятся хрупкими), поместить его в чашку Петри и облить раствором йода. Отсутствие синего окрашивания покажет, что крахмала в листе нет, если же проба с йодом окажется положительной, то этот лист не следует использовать в опыте, так как в этом случае будет трудно наблюдать за образованием нового крахмала.

Срезать лист, обновить срез ножом под водой и опустить черешок в пробирку с водой. Затемнить часть листовой пластинки, для чего наложить на верхнюю и нижнюю поверхности листа пробковые кружки точно один против другого и закрепить их на листе булавкой.

Можно поставить опыт иначе: покрыть лист с обеих сторон кусками картона с вырезанной в них фигурой или приложить к листу контрастный, не очень темный фотонегатив, прикрепив к листу канцелярскими скрепками.

Другой лист (также проверенный на отсутствие крахмала) поставить черешком в стаканчик с водой и поместить в атмосферу, лишенную диоксида углерода, для чего рядом с листом поставить сосуд с крепким раствором щелочи и закрыть стеклянным колпаком. Для полной герметичности края колпака следует смазать вазелином. Выставить оба листа на яркий солнечный или электрический свет. Через 2 ч обработать листья так же, как и кусочки, в которых проверяли полноту обескрахмаливания: облить кипящей водой, обесцветить спиртом, размягчить погружением в воду и облить раствором йода (лист обесцвечивают в колбе, закрытой для уменьшения испарения спирта воронкой).

Задание 1. Записать результаты, отмечая, в каких частях листа образовался крахмал, и сделать соответствующие рисунки. Обработанный раствором йода лист можно сохранить, засушив его между кусками бумаги под прессом.

Задание 2. Написать вывод, объяснив причины обесцвечивания листьев.