Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 3 - Д. Мецлер 1980

Свет в биологии
Фотосинтез
Специфическая адаптация

Первым продуктом включения СО₂ в цикле Кальвина является 3-фосфоглицериновая кислота (гл. 11, разд. Г, 2). Именно быстрый переход радиоактивной метки из ¹⁴СО₂ в фосфоглицерат и другие С₃-соединеиия позволил Кальвину и его коллегам построить схему этого сложного цикла в том виде, в каком она представлена на рис. 11-4, Зеленые водоросли (с которыми работал Кяльвин), шпинат и другие культурные растения часто называют С₃-растениями. Другая группа растений, большей частью тропические виды, способные к исключительно быстрому росту (в частности, сахарный тростник, кукуруза и ползучие сорняки), ведет себя иначе [123—127]. Радиоактивный СО₂ включается сначала в С₄-соединения — оксалоацетат, малат и аспартат. С₄-растения характеризуются высокой эффективностью фотосинтеза, чем и объясняются быстрый рост ползучего сорняка и высокие урожаи кукурузы. Максимальная скорость включения СО₂ у этих растений может достигать 40—60 мг СO₂ на квадратный дециметр поверхности листа в час (~0,3 ммоль СО₂ на м^-2∙с^-1, или ~0,10 моль СО₂ на 1 моль суммарного хлорофилла в 1 с), что вдвое выше, чем для большей части сельскохозяйственных растений.

а. Низкая скорость фотодыхания С₄-растений

Как и все другие организмы, растения дышат, причем при освещении С₃-растений скорость потребления ими кислорода сильно возрастает. Она может составлять на свету (фотодыхание) 50% от скорости фотосинтеза и не позволяет растениям достичь максимальной эффективности фотосинтеза. Понимание этих процессов и контроль над ними составляют одну из важнейших сельскохозяйственных проблем. В частности, обсуждались такие возможности, как выведение сортов растений с низкой скоростью фотодыхания или подавленным синтезом гликолата [126, 127].

Скорость фотодыхания довольно трудно измерить. Поэтому в литературе часто оперируют другой величиной — точкой СО₂-компенсации¹⁾, понимая под этим такую концентрацию СО₂ (при заданной постоянной интенсивности света), при которой ассимиляция СО₂ в ходе фотосинтеза уравновешивается дыханием. Воздух содержит ~0,03% (или 300 млн^-1) СО₂. Для обычных сельскохозяйственных С₃-растений точка СО₂-компенсации составляет ~40—60 млн^-1 при 25 °С. Для С₄-растений эта точка намного ниже, иногда менее 10 млн^-1. Роль данного различия особенно велика при сильном освещении, поскольку при этом содержание СО₂ в воздухе над полем растущих растений заметно падает. Точка СО₂-компенсации в жаркие дни повышается, в результате у С₃-растений в отличие от С₄-растений сильно понижается эффективность фотосинтеза.

б. Связь фотодыхания с метаболизмом гликолевой кислоты

Двухуглеродная гликолевая кислота образуется в больших количествах в хлоропластах С₃-растений и далее поступает в цитозоль [128]. Одним из источников гликолата, вероятно, служит фосфогликолат, образование которого катализируется рибулозодифосфат-карбоксилазой хлоропластов [уравнение (7-28)]. Гликолевая кислота образуется в результате конкуренции О₂ за центр связывания СО₂ на ферменте (отсюда легко понять, почему повышение содержания О₂ в воздухе повышает точку СО₂-компенсации растения). Вторым источником гликолата служит реакция с участием транскетолазы, в результате которой в качестве побочного продукта образуется гликольальдегид [уравнение (8-15)]. Гликольальдегид далее легко окисляется в гликолат. Могут существовать и другие источники гликолата.

¹⁾ Точка световой компенсация определяется как интенсивность света, при которой скорость дыхания и скорость потребления СО₂ в процессе фотосинтеза равны.

Метаболизм гликолата характеризуется высокой скоростью, но протекает он не в хлоропластах, а в пероксисомах (микротельцах; гл. 1, разд. Б, 6). Здесь имеется флавинсодержащая оксидаза, превращающая гликолат в глиоксилат с образованием Н₂О₂ (рис. 13-25) [129].

РИС. 13-25. Образование гликолата в хлоропластах и некоторые пути его метаболизма в пероксисомах и митохондриях [120].

Часть образовавшейся перекиси водорода неферментативным путем декарбоксилирует глиоксилат (при этом образуются формиат и СО₂), но основная ее часть, вероятно, разрушается в пероксисомах под действием пероксидаз или каталазы (последний фермент, как это ни странно, отсутствует в хлоропластах — видимо, в этом состоит одна из причин, почему окисление гликолата происходит именно в микротельцах). Из глиоксилата в результате переаминирования образуется глицин, который может подвергаться декарбоксилированию в митохондриях (рис. 14-32). Он может также превращаться в серин, часть которого снова попадает в пероксисомы и окисляется в оксипировиноградную и далее в глицериновую кислоту (рис. 13-25). Последняя может быть далее использована для синтеза глюкозы. В итоге происходит интенсивная стимуляция метаболизма, приводящего к освобождению СО₂; по-видимому, именно к этим процессам сводится индуцированное светом дыхание растений (хотя до конца этот вопрос далеко не ясен).

в. С₄-цикл, приводящий к повышению концентрации двуокиси углерода

РИС. 13-26. С₄-цикл повышения концентрации СО₂ в С₄-растениях.

Каким образом снижается интенсивность фотодыхания С₄-растений? Данные о включении СО₂ в оксалоадетат привели вначале к предположению о существовании альтернативного циклу Кальвина процесса восстановления СО₂, однако дальнейшие исследования показали, что «секрет» С₄-растений лежит в наличии у них механизма повышения концентрации СО₂, ослабляющем конкуренцию со стороны О₂. Все виды С₄-растений имеют характерную внутреннюю анатомию листа: сосудистые пучки охватывает одиночный плотный слой темно-зеленых клеток, а вокруг этой обкладки располагается рыхлый слой клеток мезофилла (так называемая анатомия «krаnz»-типа). Для С₄-растений характерно пространственное разделение химических реакций между мезофиллом и клетками обкладки. Включение СО₂ (точнее, бикарбонат-иона) в оксалоацетат происходит в мезофилле и осуществляется в основном с помощью РЕР-карбоксилазы (рис. 13-26). Оксалоацетат восстанавливается в малат при участии NADPH, образующегося под действием света. Другой путь основан на переаминировании оксало-ацетата с образованием аспартата. Далее и малат, и аспартат диффундируют, перемещаясь из клеток мезофилла в клетки обкладки. Здесь малат подвергается окислительному декарбоксилированию [под действием яблочного фермента; уравнение (7-37)] в пируват (рис. 13- 26). Аспартат тоже может превращаться в тех же клетках в оксалоацетат, малат и пируват. Отметим, что результатом всех этих превращений является транспортировка СO₂ из клеток мезофилла в клетки обкладки, а также перенос двух восстанавливающих эквивалентов в форме NADPH (после действия яблочного фермента). СO₂, NADPH (и еще некоторое количество NADPH, который образуется в хлоропластах клеток обкладки) используются затем в реакциях цикла Кальвина для синтеза 3-фосфоглицерата и других соединений. По имеющимся оценкам, из всех молекул СO₂, используемых в клетках обкладки, 85% поступает через С₄-цикл и лишь 15% — за счет прямой диффузии. Это дает клетке ряд преимуществ: создается более высокое давление СO₂, уменьшается конкуренция со стороны O₂ и существенно ослабляется фотодыхание.

Пируват, образующийся в клетках обкладки, в основном возвращается в клетки мезофилла и фосфорилируется при участии пируват, фосфат—дикиназы. Этот необычный фермент [уравнение (11-22)] расщепляет АТР на АМР и РР_i, который в свою очередь расщепляется до Р_i. В результате на возвращение каждой молекулы пирувата в цикл приходится затрачивать энергию двух высокоэнергетических связей. По этой причине считают, что циклическое фотофосфорилирование играет более важную роль в хлоропластах клеток мезофилла, чем в клетках обкладки.

г. Метаболизм у растений семейства Crassulaceae

К семейству Crassulaceae принадлежит большая группа растений, в том числе многие декоративные суккуленты, например заячья капуста (Sedum). Метаболизм у этих растений примечателен тем, что в ночное время в них синтезируется большое количество яблочной и изолимонной кислот. В течение дня, когда идут процессы фотосинтеза, эти кислоты исчезают. Еще один интересный факт: устьица листьев (гл. 1, разд. Д, 4) днем остаются закрытыми и открываются только ночью — таким путем растения приспособились обходиться малым количеством воды. Задача, стоящая перед указанными растениями, заключается в том, чтобы ночью накопить двуокись углерода, а днем включить ее в состав органических соединений путем фотосинтеза. Возможный механизм этого процесса схематически представлен на рис. 13-27. В левой части рисунка изображены реакции, идущие ночью, в ходе которых крахмал расщепляется с образованием фосфоенолпировиноградной кислоты (РЕР). Хотя это соединение можно было бы получить путем гликолиза, эксперименты с введением метки указывают, что в рассматриваемом нами случае более важную роль играют реакции пентозофосфатного пути [96]. РЕР выступает в роли акцептора СO₂ и превращается э оксалоацетат, который далее восстанавливается в яблочную кислоту. Эти процессы можно изобразить в виде схемы сбалансированного брожения [рис. 13-27; уравнение (13-32)], где используется NADPH, образующийся в ходе превращения глюкозо-6-фосфата в рибулозо-5-фосфат. Днем, когда АТР и NADPH имеются в избытке в результате фотосинтеза, происходят превращения, изображенные в правой части рисунка. Первая стадия — высвобождение СO₂ из яблочной кислоты под действием яблочного фермента — протекает так же, как и в С₄-растениях. В данном случае она используется для высвобождения запасенного ночью СO₂, который далее включается в органические соединения в цикле Кальвина. Остающийся пируват снова превращается в крахмал.

РИС. 13-27. Предполагаемая схема метаболизма органических кислот в дневное и ночное время у растений семейства Crassulaceae.

Интересно, что многие растения накапливают значительные количества малата в цитоплазме и в вакуолях. Очевидно, он служит резервным материалом, использующимся при синтезе углеводов.

д. Прямое восстановление в формиат

В конских бобах (Vicia faba) наблюдается специфическое включение метки из ¹⁴СO₂ в глутамат, в положение C₅, что может быть объяснено прямым восстановлением СО₂ в формиат восстановленным ферредоксином [130]:

Как указано на схеме, включение метки может осуществляться с помощью глицина, образующегося из гликолата. Интересно сравнить эти реакции с циклическим процессом включения формиата, изображенным на рис. 11-5.