Физиология растений

 

    Поглощение углекислого  газа и образование глюкозы  в растениях называют темновой  фазой фотосинтеза, поскольку  она может идти в темноте.

    Сущность темновых реакций процесса фотосинтеза была раскрыта благодаря исследованиям американского физиолога Кальвина (цикл Кальвина). Успех работы, проведенной Кальвином и его сотрудниками, определялся широким применением новых методов исследования

     Первый метод,  использованный Кальвином – метод  радиоактивного углерода. Радиоактивные  изотопы по химическим свойствам  практически не отличаются от  стабильных. Принимая участие в  реакциях, они как бы помечают  те соединения, в которые входят. Скорость распада радиоактивных  изотопов пропорциональна их  количеству. Излучение, испускаемое  ими в процессе разложения, может  быть легко измерено. Все это  создает исключительные возможности  для использования метода радиоактивных  изотопов (меченых атомов), в частности  при изучении химизма фотосинтеза.  Так, введение ¹⁴СО₂ в атмосферу, где выращивают растения, позволяет установить временную последовательность образования отдельных соединений на первых этапах фотосинтеза.

    Второй метод  – хроматография на бумаге. Если  вещества, разогнанные на хроматограмме,  содержат радиоактивные атомы,  то их можно легко обнаружить  с помощью радиоавтографии. Применяя  указанные методы, можно обнаружить  какие вещества и в какой  последовательности образуются  из ¹⁴СО₂. Наряду с этим использование коротких световых экспозиций позволило уловить первые этапы процесса. В качестве объекта исследования была взята зеленая водоросль хлорелла. После кратковременных экспозиции на свету в присутствии ¹⁴СО₂ растения фиксировались горячим спиртом. Спиртовой экстракт концентрировался, разделялся хроматографически и анализировался. Опыты показали, что через 5 сек. пребывания в атмосфере ¹⁴СО₂ на свету большая часть радиоактивного углерода сосредоточилась в трехуглеродном соединении – 3-фосфоглицериновой кислоте (3-ФГК).

    Кальвин выдвинул  предположение, что в хлоропластах  имеется какое-то вещество-акцептор, которое, взаимодействуя с СО₂, образует фосфоглицериновую кислоту (акцептор + СО₂ →ФГК). Для того чтобы установить природу акцептора, была проведена серия опытов с изменяющимися внешними условиями (смена света и темноты в присутствии и отсутствии ¹⁴СО₂ ). Оказалось, что после выключения света содержание ФГК продолжает расти. Одновременно наблюдалось быстрое исчезновение пятиуглеродного соединения, рибулезодифосфата (РДФ). Через 30 сек. темноты РДФ не обнаруживался. Вместе с тем на свету количество РДФ оставалось постоянным. Иная картина наблюдалась в отсутствии СО₂. В этом случае ни в темноте, ни на свету содержание РДФ и ФГК не изменялось. Из полученных данных следовало, что в присутствии СО₂ РДФ в темноте используется для образования ФГК. Дальнейшие превращения ФГК требуют света. В силу этого Кальвин выдвинул следующую предварительную схему процесса фотосинтеза:

 

                                           Продукты световой фазы

                                                            ↓         ↓

                                                         6АТФ+6НАДФ Н₂

3РДФ + 3СО₂ + 3Н₂О   →   6ФГК                       → 6ФГА → 1ФГА

     ↑                                                                                 ↓

                  В ←                    Б ←                А ←       5ФГА 

 

Согласно этой схеме РДФ  является акцептором, который присоединяет СО₂, в результате чего образуется ФГК. Однако в отсутствии света РДФ быстро оказывается использованным и исчезает. При этом накапливается известное количество ФГК. Именно это и наблюдалось в эксперименте. На свету при участии продуктов световой фазы происходит восстановление ФГК до фосфоглицеринового альдегида (ФГА). Судьба образовавшихся молекул ФГА различна. Частично путем ряда превращений ФГА используется на регенерацию акцептора (РДФ). В силу этого количество РДФ на свету поддерживается на постоянном уровне. В каждом цикле принимают участие 3 молекулы акцептора (РДФ) и образуется 6 молекул триозы (ФГА). Пять молекул ФГА идет на регенерацию акцептора. Каждая шестая молекула ФГА выходит из цикла и используется для построения углеводов. В связи с этим темновые реакции фотосинтеза можно представить как разветвленный цикл.

Цикл Кальвина можно разделить  на три фазы.

1 фаза – карбоксилирование.  Эта реакция катализируется специфическим  для процесса фотосинтеза ферментом  РДФ- карбоксилазой. В листьях  этот фермент содержится в  больших количествах и является  основной фракцией белка хлоропластов. По-видимому, его образование активируется  светом.   При взаимодействии  РДФ с СО₂ образуется сначала промежуточное нестойкое шестиуглеродное соединение, которое затем распадается на 2 молекулы ФГК.

СН₂О(Р)

│

СО                                          СООН

│                                             │

3СНОН + 3СО₂ + 3Н₂О → 6СНОН

│                                             │

СНОН                                    СН₂О(Р)

│

СН₂О(Р)                                   ФГК

 

РДФ

2 фаза – восстановление. Дальнейшие превращения ФГК требуют  участия продуктов световой фазы  фотосинтеза: АТФ и НАДФ• Н⁺ + Н⁺. Прежде всего происходит реакция фосфорилирования 3- ФГК. Донором фосфатной группы является АТФ. При этом образуется 1,3-дифосфоглицериновая кислота. Реакция катализируется ферментом фосфоглицерокиназой:

 СООН                                   СОО ~ (Р)

|                                              |

6СНОН      +    6АТФ    → 6СНОН + 6АДФ

|                                              |

 СН₂О(Р)                               СН₂О(Р)

 

ФГК                                         1,3- диФГК

Образующееся в этой реакции  соединение – дифосфоглицериновая  кислота – обладает более высокой  реакционной способностью, содержит макроэргическую связь. Карбоксильная  группировка этого соединения восстанавливается  до альдегидной с помощью триозофосфатдегидрогеназы, коферментом которой служит НАДФ:

 СОО ~ (Р)                                    СНО

|                                                      |

6СНОН + 6НАДФ Н⁺ + 6Н⁺ → 6СНОН + 6Н₃РО₄ + 6НАДФ

|                                                      |

 СН₂О(Р)                                       СН₂О(Р)

 

1,3- диФГК                                       ФГА

Образовавшийся ФГА претерпевает ряд превращений. Из 6 молекул ФГА 5 идут на регенерацию акцептора  – рибулезодифосфата, а 1 молекула выходит  из цикла.

3 фаза – регенерация.  В процессе регенерации акцептора  используется 5 молекул ФГА, в  результате чего образуется 3 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:

 

СНО                     СН₂ОН

|                             |

СНОН         ↔     СО

|                             |

СН₂О(Р)               СН₂О(Р)

 

ФГА                             ФДА

 

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

 

                                                      СН₂О(Р)

                                                       |

СН₂ОН        СНО                         СО

|                    |                                 |

СО            + СНОН               →    СНОН

|                    |                                 |

СН₂О(Р)      СН₂О(Р)                   СНОН

                                                       |

ФДА              ФГА                       СНОН

                                                       |

                                                      СН₂О(Р)

 

                                                          ФДФ

 

   От ФДФ отщепляется фосфат и превращается в фруктозо- 6- фосфат(Ф-6-Ф). Далее от Ф-6-Ф(С₆) отщепляется 2-углеродный фрагмент (-СО-СН₂ОН), который переносится на следующую (третью) триозу. Эта транскетолазная реакция идет при участии фермента транскетолазы. В результате образуется первая пентоза-(С₅)-рибулезофосфат. От Ф-6-Ф остается 4-углеродный сахар эритрозофосфат (С₄).Эритрозофосфат конденсируется с четвертой триозой с образованием седогептулезодифосфата (С₇). После отщипления фосфата седогептулезодифосфат превращается в седогептулезофосфат. Далее снова происходит транскетолазная реакция, в результате которой от седогептулезофосфата отщепляется 2- углеродный фрагмент, который переносится на пятую триозу. Образуются еще 2 молекулы рибулезофосфата. Таким образом, в результате рассмотренных реакций образовалось 3 молекулы рибулезофосфата. Для образования из них акцептора (РДФ) необходимо их фосфорилирование. Для этого используется 3 молкекулы АТФ.

    При прохождении двух циклов из 12 молекул образовавшегося ФГА 2 молекулы выходят из них, образуя 1 молекулу фруктозодифосфата (ФДФ). Общее суммарное уравнение 2 циклов имеет следующий вид:

 

6РДФ + 6СО₂ + 18АТФ + 12 НАДФ Н⁺ + 12Н⁺ → 6РДФ + гексоза + 18 Ф_Н +

 

18АДФ + 12НАДФ.

    На основании приведенных реакций можно рассчитать энергетический баланс цикла Кальвина. Для восстановления 6 молекул СО₂ до уровня углеводов (глюкозы) требуется 18 молекул АТФ и 12 НАДФ Н2. Соответственно для восстановления до уровня углеводов 1 молекулы СО₂ необходимы 3 молекулы АТФ и 2 НАДФ Н2. Как мы видели для образования 2 молекул НАДФ Н2 и 2 молекул АТФ необходимо 8 квантов света. Недостающее количество АТФ образуется в процессе циклического фотофосфорилирования. Следовательно для восстановления 1 молекулы СО₂ до уровня углеводов необходимо затратить 8-9 квантов. Энергия квантов красного света равна 168 кДж/моль. Таким образом, при использовании квантов красного света на восстановление 1 молекулы СО₂ до уровня углеводов затрачивается примерно 1340-1508 кДж. Из этой энергии в 1/6- 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) 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.

     В отличие от ферментов, принимающих участие в цепи переноса электронов (световая фаза) 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.

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

 

СН₂                                    СООН

║                                        │

СО ~ (Р) + СО₂ + Н₂О → СН₂ + Н₃РО₄

│                                        │

СООН                                СО

                                           │

ФЕП                                   СООН

 

                                                 ЩУК

 

Реакция катализируется ферментом  фосфоенолпируваткарбоксилазой (ФЕП-карбоксилазой) с образованием ЩУК. Поскольку в  этом случае первый продукт карбоксилирования  – ЩУК содержит 4 атома углерода, его называют «С-4» путь, в отличии  от цикла Кальвина, где образуется ФГК, содержащая 3 атома углерода («С-3»  путь).ЩУК преобразуется в яблочную кислоту. В последующем происходит реакция транскарбоксилирования, при  которой СО₂ снова отщепляется от органических кислот и вступает в цикл Кальвина – присоединяется к РДФ. Таким образом, сущность «С-4»пути заключается в том что реакция карбоксилирования происходит 2 раза. 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 2 типа хлоропластов: 1) крупные пластиды, часто лишенные гранул, в клетках обкладки, окружающие сосудистые пучки; 2) мелкие гранальные пластиды в клетках мезофила листа.

В клетках мезофила с мелкими  хлоропластами осуществляется карбоксилирование  фосфоенолпировиноградной кислоты  с образованием 4-углеродногосоединения  – ЩУК (и в некоторых случаях  аспарагиновой кислоты.). Затем ЩУК  передвигается в клетки обкладки, где происходит реакция транскарбоксилирования, в результате которой СО₂ отщепляется и вступает в цикл Кальвина. При этом фосфоенолпировиногрвдная кислота (ФЕП) регенерирует. Поскольку при таком механизме фотосинтеза принимает участие 2 типа клеток и 2 типа хлоропластов, этот путь называют кооперативным. Фиксация СО₂ 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 реассимилируется в цикле Кальвина. Такая последовательность позволяет осуществлять фотосинтез днем при закрытых устьицах, что имеет большое значение, т.к. предохраняет растение от излишней потери воды. Возможно, именно с этим связано большая засухоустойчивость растений с таким типом фотосинтеза.