Физиология растений

свет

2Н₂0 >- 4Н⁺ + 4е + 0₂

Рассмотрим более подробно путь переноса электрона от фотосистемы II к фотосистеме I.

Полученный от Хлб8о неизвестным  акцептором Z электрон передается далее на пластохипон (Е_о-{-0,11). Пластохинон (производное хинона) имеет молекулярную массу 748. Считается, что в переносе электронов участвует 65 молекул пластохинона. От пластохинонов электрон воспринимается молекулой цитохрома /. Цитохром / относится к группе цитохромов с (Z?_o + 0,360). Воспринимая электрон, цитохром восстанавливается: Fe^ + e^-*Fe²⁺- Следующий переносчик — пластоцианин. Отдавая электрон пластоцианину, цитохром окисляется: Fe²⁺—ё '■Fe³"¹". Пластоцианин — это медьсодержащий белок, в котором на каждую молекулу белка приходится два атома меди (Е'о яластоцианина + 0,370). От пластоцианина электрон заполняет элек-тронпую «дырку» у Шоо-

Перенос электрона по цепи переносчиков от фотосистемы II к фотосистеме I сопровождается аккумуляцией энергии в АТФ (АДФ + Ф "АТФ). Суммарное уравнение указанного процесса может быть выражено следующим образом:

2 НАДФ + 2Н₂0 + 2 АДФ -f 2H₃P0₄+ 8Ь ->

-*2 НАДФ • Н⁺ + 2Н⁺ -f 2 АТФ + 0₂

Таким образом, отличительными особенностями  нециклического 
фотосинтетического фосфорилирования является: 1) окисление двух 
молекул воды, происходящее в результате воздействия 8 hv света, 
которые улавливаются двумя фотосистемами; 2) передача электронов 
от молекул воды через электронно-транспортную цепь на НАДФ. 
Продуктами процесса нециклического фотофосфорилирования явля 
ются восстановленный никотииамидадениндинуклеотидфосфат 
(НАДФ-Ш) и АТФ. Эти соединения световой фазы в дальнейшем 
используются в темновой фазе фотосинтеза.

Общая схема циклического фотофосфорилирования дана на рисунке 41. В этом   процессе   принимает   участие   лишь   фотосистема   I.

Образовавшийся фосфоглицериновый  альдегид (ФГА) претерпевает ряд превращений. Из шести молекул ФГА пять идут на регенерацию акцептора — рибулезодифосфата, а одна молекула выходит из цикла.

Третья фаза — регенерации. В  процессе регенерации акцептора  используется пять молекул ФГА, в  результате чего образуются три молекулы рибулезо-5-фосфата. Этот процесс идет через образование 4-, 5-, 6-, 7-углеродных соединений. Прежде всего первая молекула ФГА изомеризуется до фосфодиоксиацетона. Процесс катализируется ферментом триозофосфатизомеразой:

Фосфодиоксиацетон  (ФДА)  взаимодействует  со второй    молекулой ФГА с образованием фруктозодифосфата (ФДФ):

От ФДФ отщепляется фосфат и  превращается в фруктозо-6-фос-фат (Ф-6-Ф). Далее от Ф-6-Ф (Сб) отщепляется 2-углеродный фрагмент (—СО—СНдОН), который переносится на следующую (третью) триозу. Эта траискетолазная реакция идет при участии фермента транскетолазы. В результате образуется первая пентоза-(С5)-рибуле-' зофосфат От Ф-6-Ф остается 4-углеродный сахар эритрозофосфат (С4). Эритрозофосфат конденсируется с четвертой триозой с образованием седогептулезодифосфата (С7). После отщепления фосфата се-догептулезодифосфат превращается в    седогептулезофосфат.    Далее снова происходит транскетолазная реакция, в результате которой от седогептулезофосфата отщепляется 2-углеродный фрагмент, который переносится на пятую триозу. Образуются еще две молекулы рибуле-зофосфата. Таким образом, в результате рассмотренных реакций образовались 3 молекулы рибулезофосфата. Для образования из них акцептора (РДФ) необходимо их фосфорилирование. Для этого используются три молекулы АТФ. Все реакции, входящие в цикл Кальвина, представлены на схеме (рис. 43).

При прохождении двух циклов из 12 молекул  образовавшегося ФГА две молекулы выходят из них, образуя одну молекулу фрукто-зодифосфата (ФДФ). Общее суммарное  уравнение двух циклов имеет следующий вид:

6 РДФ + 6С0₂ + 18 АТФ + 12 НАДФ • Н⁺ + 12Н⁺ -»- 6 РДФ +

+ гексоза + 18 Ф_н + 18 АДФ+ 12 НАДФ.

На основании приведенных реакций  можно рассчитать энергетический баланс цикла Кальвина. Для восстановления шести молекул С0₂ до уровня углеводов (глюкозы) требуется 18 молекул АТФ и 12 НАДФ-Иг. Соответственно для восстановления до уровня углеводов одной молекулы С0₂ необходимы три молекулы АТФ и две НАДФ • Нг. Как мы видели, для образования двух молекул НАДФ • Нг и двух молекул АТФ необходимо 8 квантов света. Недостающее количество АТФ образуется в процессе циклического фотофосфорилиро-вания. Следовательно, для восстановления одной молекулы СОг до уровня углеводов должно быть затрачено 8—9 квантов. Энергия квантов красного света равна 168 кДж/моль. Таким образом, при использовании квантов красного света на восстановление одной молекулы СОг до уровня углеводов затрачивается примерно 1340—1508 кДж. Из этой энергии в 7б -моль гексозы откладывается 478 кДж. КПД фотосинтеза в этом случае должен составить около 30—35%. Однако в естественных условиях коэффициент использования света значительно меньше.

В отличие от ферментов, принимающих  участие в цепи переноса электронов (световая фаза фотосинтеза) ферменты цикла Кальвина локализованы в матриксе хлоропластов. Согласованному осуществлению всех реакций способствует то, что эти ферменты часто ассоциированы на поверхности мембран и составляют определенные ансамбли.

«С-4»  путь фотосинтеза (цикл Хетча — Слэка)

Путь углерода при фотосинтезе, установленный Кальвином, является основным. Однако существуют отклонения от этого пути. Так, австралийские ученые Хетч и Слэк (1966) и советский ученый Ю. С. Карпилов (1960) показали, что у некоторых растений, по преимуществу тропических и субтропических (в том числе кукурузы, сахарного тростника), фотосинтез идет несколько по иному пути. На первом этапе происходит реакция карбоксилирования фосфоенолпи-

ровиноградной кислоты (ФЕП).

Реакция катализируется ферментом  фосфоенолпируваткарбоксилазой (ФЕП-карбоксилазой) с образованием щавелевоуксусной кислоты (ЩУК). Поскольку в этом случае первый продукт карбоксилирования — ЩУК содержит четыре атома углерода, его называют «С-4» путь, в отличие от цикла Кальвина, где образуется ФГК, содержащая три атома углерода («С-3» путь). Щавелевоуксусная кислота преобразуется в яблочную кислоту. В последующем происходит реакция транскарбоксилирования, при которой СОг снова отщепляется от органических кислот и вступает в цикл Кальвина — присоединяется к рибулезодифосфату (рис. 44). Таким образом, сущность «С-4» пути заключается в том, что реакция карбоксилирования происходит дважды. Это позволяет растению создавать запасы углерода в клетках. Как и во всяком биохимическом цикле, акцепторы (ФЕП и РДФ) регенерируют, что и создает возможность его непрерывного функционирования. Исследования показали, что в растениях, в которых процесс фотосинтеза протекает по «С-4» пути, имеются два типа хлоропластов: 1) крупные пластиды, часто лишенные гран, в клетках обкладки, окружающих сосудистые пучки; 2) мелкие гра-нальные пластиды в клетках мезофилла листа.

В клетках мезофилла с мелкими  хлоропластами осуществляется карбоксилирование  фосфоенолпировиноградной кислоты  с образованием четырехуглеродного соединения — ЩУК (и в некоторых случаях аспарагиновой кислоты). Затем ЩУК передвигается в клетки обкладки, где происходит реакция транскарбоксилирования, в результате которой СОг- отщепляется и вступает в цикл Кальвина. При этом фосфоенолпировиноградиая кислота (ФЕП) регенерирует. Поскольку при таком механизме фотосинтеза принимают участие два типа клеток и два типа хлоропластов, этот путь называют кооперативным (Ю. С. Карпилов, 1970). Фиксация СОг по «С-4» пути имеет ряд преимуществ. Показано, что некоторые представители растений, ведущие ассимиляцию по «С-4» пути, осуществляют первые этапы этого процесса (образование органических кислот) в ночной период суток. В последующий светлый период углекислота освобождается и реассимилнруется в цикле Кальвина. Такая последовательность позволяет осуществлять фотосинтез днем при закрытых устьицах, что имеет большое значение, так как предохраняет растение от излишней потери воды. Возможно, именно с этим связана большая засухоустойчивость растений с таким    типом фотосинтеза.

У растений, осуществляющих фотосинтез по «С-4» пути, отсутствует процесс фотодыхания. Это последнее обстоятельство уменьшает непроизводительную трату органического вещества и увеличивает продуктивность растений. Открытие «С-4» пути позволило расшифровать особенности фотосинтеза у суккулентов. Оказалось, что суккуленты в ночное время фиксируют углерод в органических кислотах, по преимуществу в яблочной. По-видимому, это происходит под действием фермента пируваткарбоксилазы. Далее эта фиксированная углекислота с помощью транскарбоксилирования переносится на неиден-тифицированный акцептор и используется для образования триоз. Осуществление фотосинтеза по такому пути позволяет суккулентам в течение дня держать устьица закрытыми и таким образом сокращать транспирацию.

В литературе имеются указания о наличии и других путей связывания СО2. Однако они еще недостаточно охарактеризованы. 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.

  ПРОДУКТЫ ФОТОСИНТЕЗА

Природа первичных продуктов фотосинтеза  издавна интересует физиологов. Для  решения этого вопроса исследователями  были применены разные подходы. Прежде всего была сделана попытка определить фотосинтетический коэффициент. Под фот о синтетическим коэффициентом понимается отношение выделенного в процессе фотосинтеза кислорода к поглощенной СОг. Если в процессе фотосинтеза образуются углеводы, то, согласно приведенному суммарному уравнению, фотосинтетический коэффициент должен быть равен единице:

— = 1.   Если представить себе, что в процессе фотосинтеза обра-

6С0₂

зуются соединения более восстановленные (содержащие меньше¹ кислорода) по сравнению с углеводами, то фотосинтетический коэффициент должен быть больше единицы. Так, расчеты показывают, что в случае образования белков фотосинтетический коэффициент равен 1,25, в случае жира — 1,44. Средняя величина фотосинтетического коэффициента для 27 видов растений оказалась равной 1,04. Расчеты показали, что такая величина фотосинтетического коэффициента указывает на образование наряду с углеводами некоторого количества белка (примерно 12%). Оказалось далее, что величина фотосинтетического коэффициента меняется в зависимости от условий. Так, с улучшением азотного питания фотосинтетический коэффициент повышается. Из этого можно сделать заключение, что в процессе фотосинтеза  образуются  азотсодержащие соединения.

Окончательное разрешение данного вопроса было достигнуто благодаря обширным исследованиям, проведенным А. А. Ничипорови-чем и Т. Ф. Андреевой. При проведении исследований с листьями, плавающими на растворе (¹⁵NH,i)2S04 в атмосфере с ¹⁴СОг, оказалось, что на свету в этих листьях образовывались белки, содержащие одновременно ¹⁵N и ¹⁴С. При выдерживании в темноте этого не наблюдалось. Следовательно, на свету происходит новообразование аминокислот, а затем белков непосредственно из СОг. В настоящее время признано, что наряду с углеводами продуктами фотосинтеза могут быть аминокислоты и, как следствие, белки. При этом в зависимости от условий соотношение продуктов фотосинтеза меняется. Так, преобладание синих лучей над красными приводит к увеличению доли образующихся белков, тогда как красный свет благоприятствует образованию углеводов (Н. П. Воскресенская). Усиление снабжения растений азотом, естественно, также приводит к увеличению первичного синтеза белка.

Каковы же особенности образования  углеводов и белков в процессе фотосинтеза?

Фотосинтетическое образование углеводов

В результате двух циклов Кальвина образуется фруктозодифос-фат. Из двух молекул  фруктозодифосфата (Ф-1,6-диФ) образуются фруктозо-6-фосфат   (Ф-6-Ф)  и  глюкозо-1-фосфат   (Г-1-Ф). Глюкозо 1-фосфат, взаимодействуя с уридинтрифосфатом (УТФ) дает уридин-дифосфоглюкозу (УДФГ). В свою очередь, УДФГ, реагируя с Ф-6-Ф, дает сахарозофосфат. Из сахарозофосфата путем дефосфори-иирования образуется сахароза.) Для образования одной молекулы сахарозы необходимо, чтобы прошли четыре цикла Кальвина:

В опытах А. Л. Курсанова и М. В. Туркиной растения с разными типами обмена помещали в атмосферу ¹⁴СОг на свету. Через короткие промежутки времени прослеживалось, в каком из углеводов по преимуществу находится ¹⁴С. Были взяты растения, откладывающие в качестве запасного вещества различные углеводы: сахарозу (сахарная свекла), инулин (земляная груша), крахмал (табак), глюкозу (лук). Оказалось, что у всех изученных растений ¹⁴С прежде всего фиксировался в сахарозе. По-видимому, имепно сахароза является первым свободным сахаром, образующимся в процессе фотосинтеза. Из сахарозы образуются нефосфорилированные моносахара (глюкоза и фруктоза). \/ Крахмал образуется из аденозиндифосфоглюкозы (АДФГ) или уридиндифосфоглюкозы (УДФГ), процесс катализируется ферментом амилосинтетазой.

Фотосинтетическое образование  аминокислот

Среди первых продуктов фотосинтеза  обнаружены такие аминокислоты, как аланин, серии, глютаминовая кислота, глицин. По-видимому, ФГК, образовавшаяся на первом этапе цикла Кальвина, может превращаться в пировиноградную кислоту.' Этот процесс идет особенно интенсивно при недостатке НАДФ-Нг, из-за чего задерживается преобразование ФГК в ФГА (обычный путь в цикле Кальвина). Пировиноградная кислота в присутствии ГШз дает аминокислоту аланин. Показано, что скорость включения ¹⁴СОг в аланин в клетках хлореллы при некоторых условиях может даже превышать скорость ее включепия в сахарозу.

При взаимодействии пировиноградной  кислоты с глютаминовой образуется аминокислота серии (реакция переаминирования). Из пировиноградной кислоты может образоваться еще ряд органических кислот (в цикле Кребса). Образовавшиеся органические кислоты в процессе аминирования или переаминирования дают аминокислоты.

Сам по себе синтез аминокислот еще  не означает образование белков. Однако было показано, что между этими двумя процессами имеется прямая связь. Так, под влиянием освещения синими лучами (458—480 им) усиливается фотосинтетическое образование как аминокислот, так и белков. В присутствии ингибиторов синтеза белка действие синего света не проявляется.