Темновая стадия фотосинтеза: С3-путь ( цикл Кальвина) и С4-путь фотосинтеза. Биологическое значение разнообразия путей усвоения СО2 растениями.
Темновая фаза фотосинтеза. Цикл Кальвина:карбоксилирование, восстановление и регенерация.
Этот способ ассимиляции СО2, присущий всем растениям. 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. Карбоксилирование. Первой реакцией, вводящей СО2 в цикл Кальвина, является карбоксилирование рибулезо-1,5-дифосфата (1,5-РДФ) с участием фермента рибулезодифосфаткарбоксилазы (РДФ-карбоксилазы). Образующееся при этом нестойкое шестиуглеродное соединение быстро распадается на триозы — две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК). Поэтому 3-ФГК можно считать первичным продуктом фотосинтеза. Фаза восстановления. Восстановление 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК) до 3-фосфоглицеринового альдегида (3-ФГА) происходит в два этапа. Сначала при участии АТФ и фосфогли-цераткиназы 3-ФГК присоединяет остаток фосфорной кислоты с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-дФГК). Этим достигается повышение реакционной способности соединения и возможность его восстановления с помощью НАДФН до 3-ФГА.
Фаза восстановления является центральным звеном цикла. Именно здесь скрещиваются световая и темновая фазы фотосинтеза. Все остальные превращения идут на уровне Сахаров, одинаковых по степени восстановленности. Восстановление 3-ФГА в две реакции: сначала каждая 3-ФГА фосфорилируетс, образуя1,3 –дифосфоглицериновую кислоту. 1,3-ифосфоглицериновая кислота восстанавливается НАДФН параллельно с отщеплением одного остатка фосфорной кислоты, образуется глицеральдегид-3-фосфат. Обе реакции обратимы.
Фаза регенерации первичного акцептора СО2 и синтеза конечных продуктов фотосинтеза. Изомеризация фосфоглицеринового альдегида в фосфодиоксиацетон, затем из них синтезируется фруктоза-1,6-дифосфат, часть его для получения полисахаридов (откладывается в запас), часть используется по циклу. На последней стадии 5 молекул ФГА превращается в три молекулы рибулозо-1,5-бисфосфата.
Это соединение подвергается фосфорилированию за счет АТФ, которую поставляет световая фаза фотосинтеза, с образованием рибу-лозо-1,5-дифосфата. Цикл при этом замыкается.
Из оставшейся неиспользованной шестой молекулы 3-ФГА при повторении цикла под действием альдолазы синтезируется фруктозо-1,6-дифосфат, из которого могут образоваться глюкоза, сахароза или крахмал. Таким образом, для синтеза одной молекулы глюкозы должно произойти шесть оборотов цикла. В каждом обороте цикла используются три молекулы АТФ (две для активирования двух молекул ФГК и одна при регенерации акцептора СО2 1,5-РДФ) и две молекулы НАДФН для восстановления ФГК до ФГА.
В цикле Кальвина первичными продуктами включения СО2 в органические вещества и восстановления являются трехуглерод-ные соединения (3-ФГК, 3-ФГА, ФДА). 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.
Путь С-4 (цикл Хетча-Слэка-Карпилова). Его особенности.
Существует большая группа растений, включающая более 500 видов покрытосеменных, у которых, первичными продуктами фиксации СО2 и восстановления являются четырех-углеродные соединения. Их называют С4 растениями. К С4-растениям относится ряд культурных растений преимущественно тропического и субтропического происхождения — кукуруза, просо, сорго, сахарный тростник и многие злостные сорняки. Для листьев С4-растений характерно анатомическое строение кранц-типа 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. Клетки мезофилла С-4 растений практически лишены пластид. Весь процесс фотосинтеза идет в 2х разных местах.
1.Фиксация СО2 в клетках мезофилла. Используются фосфоенолпируваты при участии ФЕП-карбоксилазы образуется ЩУК, которая восстанавливается до яблочной кислоты (малат) или аминируется с образованием аспарагиновой кислоты. Щавелевоуксусная, яблочная и аспарагиновая кислоты являются четырехуглеродными соединениями. Малат транспортируется в клетки обкладки, там происходит ее декарбоксилирование.
2.Отщепившийся СО2 используется в цикле Кальвина, а ПВК транспортируется обратно в клетки мезофилла. ПВК с участием 2х молекул АТФ карбоксилируется и вновь образуется фосфоенолпируват. Цикл замыкается.
Образовавшиеся в результате окислительного декарбоксилирования малата С02 и НАДФН 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 С02 для цикла Кальвина. Таким образом, С4-путь обеспечивает более полное усвоение С02.
Усвоение СО2 растениями
Большая часть растений способна усваивать углерод из углекислого газа, восстанавливая его до органических соединений. Этот тип питания называется автотрофным. Восстановление CO2 до органических соединений требует затрат энергии либо за счёт поглощаемого солнечного света (фотосинтетики), либо за счёт окисления восстановленных соединений, поглощаемых из внешней среды (хемосинтетики).
Фоторедукция — восстановление СО2 с поглощением лучистой энергии, без выделения О2 (зеленые серобакт, пурпурные серобакт).
Хемосинтез-использование химической энергии процессов окисления (нитрифицирующими бактериями). Осуществляется в 2 этапа: окисление аммиака до азотистой к-ты; окисление азотистой до азотной к-ты. Сопровождается выделением энергии, которую используют на восстановление СО2 до орг.соединения, выделения воды (серобакт). Хемосинтез свидетельствует о том, что синтез орг. в-в может проходить без действия света.
Источник
Ассимиляция СО2 у С4-растений
После открытия реакций цикла Кальвина различными исследователями изучалось фотозависимое включение меченного 14 С углерода СО2 в первичные продукты фотосинтеза у разных групп растений. В ходе этих исследований было выяснено, что у зелёных водорослей и в листьях большинства растений умеренной зоны первичным продуктом фотосинтеза, в который происходит активное включение меченого 14 С СО2 при коротких световых экспозициях, является С3-продукт – 3-фосфоглицериновая кислота, в связи с чем такие растения было предложено называть С3-растениями. А у многих других растений тропического происхождения радиоактивный углерод СО2 сначала включается в С4-продукты (щавелевоуксусная, яблочная, аспарагиновая кислоты), поэтому их называют С4-растениями. К типичным С4-растениям относятся кукуруза, сахарный тростник, сорго, просо, амарант, лебеда, некоторые виды Euphorbia, многие тропические злаки.
Последовательность биохимических реакций, связанная с использованием СО2 для синтеза дикарбоновых кислот в листьях С4-растений, впервые была представлена как циклический процесс австралийскими учёными М.Д. Хетчем и К.Р. Слэком и получила название цикла Хетча – Слэка.
С4-растения отличаются от С3-растений по строению листа. Их листья пронизаны сетью сосудисто-волокнистых пучков, которые окружены плотным слоем клеток обкладочной паренхимы, а вокруг этих клеток находится рыхлый слой клеток мезофилла листа. В клетках обкладочной паренхимы находятся крупные хлоропласты, почти не образующие гран; в них локализован фермент рибулозодифосфаткарбоксилаза и другие ферменты, катализирующие реакции цикла Кальвина. А в клетках мезофилла листа содержатся типичные для фотосинтезирующих тканей хлоропласты, в которых происходят фотохимические реакции и осуществляется синтез НАДФ×Н и АТФ.
Первичное связывание СО2 и включение его в состав органического вещества у С4-растений происходит в цитоплазме клеток мезофилла с участием фермента фосфопируваткарбоксилазы (4.1.1.31). Первичным акцептором СО2 служит фосфоенолпировиноградная кислота. В ходе реакции образуется щавелевоуксусная кислота и неорганический фосфат:
|
В опытах показано, что непосредственно с первичным акцептором взаимодействует не СО2, а бикарбонат-ионы (НСО3 ‾ ). Карбоксилирующий фермент фосфопируваткарбоксилаза представляет собой белок с высокой молекулярной массой (
400 тыс.), включающий 12 полипептидных субъединиц, с каждой из которых связан катион Mn 2+ . Молярная активность этого фермента во много раз выше карбоксилирующей активности фермента цикла Кальвина рибулозодифосфаткарбоксилазы, поэтому он способен эффективно катализировать образование щавелевоуксусной кислоты при низких концентрациях СО2, которые характерны для растений тропической зоны вследствие ухудшения растворимости СО2 в физиологической среде при повышенных температурах. Кроме того, фосфопируватккарбоксилаза не взаимодействует с кислородом и поэтому не может участвовать в фотодыхании, снижающем выход фотосинтетических продуктов.
Синтезированная в цитоплазме клеток мезофилла щавелевоуксусная кислота далее поступает в хлоропласты и с участием восстановленных динуклеотидов НАДФ×Н, являющихся продуктами световой стадии фотосинтеза, превращается там в яблочную кислоту. Данную реакцию катализирует фермент малатдегидрогеназа (1.1.1.37):
|
Одновременно с превращением в яблочную кислоту щавелевоуксусная кислота может вступать в реакцию переаминирования с образованием аспарагиновой кислоты:
|
Затем яблочная кислота и аспартат диффундируют из клеток мезофилла в клетки обкладочной паренхимы (рис. 34). В хлоропластах этих клеток яблочная кислота подвергается окислительному декарбоксилированию с участием фермента малатдегидрогеназы декарбоксилирующей (1.1.1.40) с образованием пировиноградной кислоты и СО2:
|
Образовавшиеся в этой реакции СО2 и НАДФ×Н далее участвуют в реакциях цикла Кальвина, которые активно происходят в хлоропластах клеток обкладочной паренхимы. Чем интенсивней в них осуществляется декарбоксилирование, тем больше образуется СО2 и НАДФ×Н и, следовательно, тем больше СО2 связывается с первичным акцептором и восстанавливается до триоз в ходе реакций цикла Кальвина. Продукт декарбоксилирования яблочной кислоты – пировиноградная кислота не используется в цикле Кальвина, а диффундирует в клетки мезофилла листа, в хлоропластах которых она снова превращается в первичный акцептор СО2 – фосфоенолпировиноградную кислоту. Эту реакцию катализирует фермент пируватдикиназа (2.7.1.40), который способен за счёт гидролиза макроэргической связи АТФ осуществлять фосфорилирование с участием неорганического фосфата:
|
У некоторых С4-растений (амарант, лебеда) декарбоксилирование яблочной кислоты происходит в митохондриях клеток обкладочной паренхимы и тогда в качестве биоэнергетического продукта образуются восстановленные динуклеотиды НАД×Н.
Аспарагиновая кислота, синтезируемая в клетках мезофилла листа, в хлоропластах обкладочной паренхимы вступает в реакции переаминирования, в ходе которых превращается в яблочную кислоту. А далее яблочная кислота подвергается превращениям, указанным в реакциях 3 и 4.
Таким образом, у С4-растений наблюдается разделение в пространстве биохимических процессов первичного связывания СО2 и образования продуктов темновой стадии фотосинтеза. Связывание СО2 происходит в клетках мезофилла листьев в ходе реакций цикла Хетча-Слэка и оно сопряжено с потреблением продуктов световой стадии фотосинтеза НАДФ×Н (при восстановлении щавелевоуксусной кислоты в яблочную) и АТФ (в ходе образования первичного акцептора СО2 фосфоенолпировиноградной кислоты из пировиноградной). Образование же продуктов темновой стадии фотосинтеза осуществляется в клетках обкладочной паренхимы, в которых функционирует цикл Кальвина, а донорами СО2 являются продукты цикла Хетча-Слэка (яблочная и аспарагиновая кислоты), подвергающиеся в клетках обкладочной паренхимы декарбоксилированию и создающие высокую концентрацию СО2 в этих клетках.
В ходе декарбоксилирования яблочной кислоты в клетках обкладочной паренхимы синтезируются также восстановленные динуклеотиды НАДФ×Н (или НАД×Н у некоторых растений). Следовательно, основное назначение цикла Хетча-Слэка – связывание СО2 с помощью фермента фосфопируваткарбоксилазы и перенос его в виде яблочной и аспарагиновой кислот из клеток мезофилла в клетки обкладочной паренхимы, где происходит высвобождение и создание высокой концентрации СО2, необходимой для более эффективной работы фермента цикла Кальвина рибулозодифосфаткарбоксилазы.
Одновременно с транспортом СО2 осуществляется также перенос из клеток мезофилла в клетки обкладочной паренхимы и восстановительного потенциала, так как при образовании яблочной кислоты в клетках мезофилла потребляются восстановленные динуклеотиды НАДФ×Н, а при декарбоксилировании яблочной кислоты в клетках обкладочной паренхимы восстановленные динуклеотиды снова синтезируются. И только на регенерацию первичного акцептора СО2 фосфоенолпировиноградной кислоты в клетках мезофилла затрачивается дополнительная энергия в виде молекул АТФ, что и определяет в целом дополнительные энергетические затраты на функционирование реакций цикла Хетча-Слэка. Эти дополнительные затраты энергии на реакции цикла Хетча-Слэка у С4-растений составляют около 15 % от всего количества энергии, потребляемого растениями для образования фотосинтетических продуктов.
Однако, если учитывать, что С4-растения обычно произрастают в засушливой зоне с высокой интенсивностью солнечной радиации, дополнительные затраты на функционирование цикла Хетча-Слэка у них не лимитированы солнечной энергией и поэтому не снижают эффективности фотосинтеза. Наоборот, у этих растений более интенсивно происходит связывание СО2 благодаря действию фермента фосфопируваткарбоксилазы, который не взаимодействует с кислородом и, следовательно, не инициирует реакции фотодыхания, снижающие продуктивность фотосинтеза. И этот фермент имеет очень сильно выраженную субстратную специфичность по отношению к СО2, поэтому способен эффективно связывать СО2 даже при низких его концентрациях, тогда как при таких условиях карбоксилирующая активность фермента рибулозофосфаткарбоксилазы у С3-растений очень сильно подавляется. Максимальная скорость включения СО2 в органические продукты у С4-растений может достигать 40-60 мг на 1 кв. дециметр поверхности листа, что в 1,5 раза выше, чем у С3-растений.
Исходя из указанных выше преимуществ перед С3-растениями, С4-растения имеют более высокий коэффициент использования солнечной энергии и поэтому способны давать более высокий выход биомассы на единицу возделываемой площади сельскохозяйственных угодий. Наибольшие преимущества перед С3-растениями они имеют в засушливых регионах, так как способны эффективно связывать СО2 даже при почти закрытых устьицах листьев, когда сильно понижается концентрация СО2. В более прохладных и влажных регионах, где интенсивность солнечной радиации понижена, С3-растения получают определённые преимущества перед С4-растениями, так как им не требуется дополнительная энергия для фиксации СО2, связанная с функционированием цикла Хетча-Слэка.
У суккулентных растений (сем. Сrassulaceae), которые также хорошо адаптированы к засушливым условиям, биохимические процессы связывания СО2 и включения его в реакции цикла Кальвина разграничены во времени. В связи с тем, что у этих растений днём устьица закрыты и нет поступления СО2 из окружающей атмосферы, поглощение и связывание СО2 происходит ночью под действием фермента фосфопируваткарбоксилазы, локализованного в цитоплазме клеток листа. Под действием фосфопируваткарбоксилазы к фосфоенолпировиноградной кислоте присоединяется СО2 и таким образом осуществляется синтез щавелевоуксусной кислоты, которая затем восстанавливается в яблочную кислоту. Последняя концентрируется в вакуолях клеток листа. Первичный акцептор СО2 фосфоенолпировиноградная кислота образуется в результате расщепления крахмала и осуществления реакций пентозофосфатного цикла (см. раздел «Дыхание»). А крахмал накапливается днем, когда интенсивно происходят поглощение солнечной энергии и синтез НАДФ×Н и АТФ, необходимых для функционирования цикла Кальвина. Продукты этого цикла активно используются для образования фотосинтетического крахмала.
Источником СО2 для функционирования цикла Кальвина в дневное время служит яблочная кислота, которая накапливается в вакуолях ночью. Она диффундирует в цитоплазму клеток и подвергается там дикарбоксилированию под действием декарбоксилирующей малатдегидрогеназы и высвобождает СО2, который поступает в хлоропласты и связывается там под действием фермента рибулозодифосфаткарбоксилазы, а затем подвергается восстановлению до уровня сахаров в реакциях цикла Кальвина. В результате декарбоксилирования яблочной кислоты образуется также пировиноградная кислота, которая под действием фермента пируватдикиназы фосфорилируется и превращается в фосфоенолпировиноградную кислоту. В дальнейшем фосфоенолпировиноградная кислота через ряд промежуточных реакций (см. раздел «Дыхание») превращается в триозофосфаты, которые затем участвуют в синтезе глюкозо-6-фосфата, используемого для образования фотосинтетического крахмала.
Источник
