Физиология растений и животных. Скопичев В. Г. Физиология растений и животных Направление подготовки 020400 биология Профиль подготовки Биоэкология

• Название: Скопичев В. Г. Физиология растений и животных Направление подготовки 020400 биология Профиль подготовки Биоэкология
• Анкор: Физиология растений и животных.doc
• Дата: 13.12.2017
• Размер: 35.41 Mb.
• Имя файла: Физиология растений и животных.doc
• Тип: Документы; #11309
• страница: 22 из 89

2-й ЭТАП ФОТОСИНТЕЗА

Согласно законам фотохимии, при поглощении кванта света ато­мом или молекулой какого-либо вещества электрон переходит па другую, более удаленную, орбиталь, т. е. на более высокий энергети­ческий уровень. Наибольшей энергией обладает электрон, отдаленный от ядра атома и находящийся на бесконечно большом расстоянии от него. Вместе с тем. чем ближе к ядру, тем меньше энергия электрона. Каждый электрон переходит на более высокий энергетический уровень под влиянием одного кванта света.

В молекуле хлорофилла два уровня возбуждения. Именно с этим связано и то, что он имеет две основные линии поглощения. Первый уровень возбуждения связан с переходом на более высокий энергети­ческий уровень электрона в системе сопряженных двойных связей, а второй — с возбуждением неспаренных электронов атомов азота и кислорода в порфириновом ядре. При поглощении света электроны переходят в колебательное движе­ние. Наиболее подвижными в мо­лекуле являются делокализованные электроны, орбитали которых как бы размазаны, обобщены меж­ду двумя ядрами. Особенно легко возбуждаются электроны сопря­женных двойных связей. Электрон, кроме того, что он находится на определенной орбитали и вращает­ся вокруг ядра, обладает еще спи­ном — характеристикой, которую можно трактовать как направление вращения электрона вокруг своей оси. Спин электрона может прини­мать два значения. Спины двух электронов, находящихся на одной орбитали, различны. Когда в моле­куле все электроны расположены попарно, их суммарный спин равен нулю. Это основное синглетное со­стояние (5о). В основном энерге­тическом состоянии 5о молекула находится в тепловом равновесии со средой, все электроны попарно занимают орбитали с наименьшей энергией. При поглощении света электроны переходят на следующую орбиталь с более высоким энергетическим уровнем. При этом имеются две возможности: если электрон не меняет спина, то это приводит к возникновению первого и второго синглетного состояния

(S₁*, S₂*). Если же один из электронов меняет спин, то такое состояние называют триплетным. (Т₁*).

Наиболее высокий энергетический уровень — это второй синглетный уровень S₂*. Электрон переходит на него под влиянием сине-фиолетовых лучей, кванты которых крупнее, содержат больше энер­гии. В первое возбужденное S₁* состояние электроны могут перехо­дить, поглощая более мелкие кванты (красного света).

Различные возбужденные состояния электронов характеризуются разным временем жизни. Время жизни на S₂* уровне составляет 10^-12 с. Это время настолько мало, что на его протяжении энергия электронного возбуждения не может быть использована. Через этот короткий промежуток времени электрон возвращается в первое син­глетное состояние S₁* (без изменения направления спина). Переход от одной молекулы пигмента к другой идет с большой эффективностью (от хлорофилла b к хлорофиллу а — 90%, от каротиноидов к хлоро­филлу— 40%), однако все же это связано с некоторой ее потерей. Вместе с тем кванты света с меньшей длиной волны обладают боль­шей энергией. В этой связи потеря энергии приводит к превращению квантов в более мелкие (с большей длиной волны). Именно поэтому основная форма хлорофилла, к которой стекается энергия, поглощает лучи с длиной волны 700 нм и обозначается как пигмент 700 (П₇₀₀). Обратный перенос энергии невозможен. Таким образом, фотофизи­ческий этап фотосинтеза заключается в том, что кванты света погло­щаются и переводят молекулы пигментов в возбужденное состояние. Затем эта энергия переносится на хлорофилл-ловушку, связанную с реакционным центром, где она и используется в фотохимических ре­акциях. Дальнейшее превращение энергии света в химическую энер­гию проходит ряд этапов, начиная с окислительно-восстановительных превращений хлорофилла и включая как фотохимические (свето­вые), так и эпзиматические (темповые) реакции.

ХИМИЗМ ФОТОСИНТЕЗА

Фотосинтез — это сложный многоступенчатый окислительно-вос­становительный процесс, в котором происходит восстановление угле­кислого газа до уровня углеводов и окисление воды до кислорода. Фотосинтез включает как световые, так и темповые реакции. Был проведен ряд экспериментов, доказывающих, что в процессе фотосин­теза происходят реакции, не требующие света (темновые). 1. Фото­синтез ускоряется с повышением температуры. Отсюда прямо следу­ет, что какие-то этапы этого процесса непосредственно не связаны с использованием энергии света. Особенно резко зависимость фотосин­теза от температуры проявляется при высоких интенсивностях света. По-видимому, в этом случае скорость фотосинтеза лимитируется именно темповыми реакциями. 2. Эффективность использования энер­гии света в процессе фотосинтеза оказалась выше при прерывистом освещении. Для более эффективного использования энергии света длительность темповых промежутков должна значительно превышать длительность световых.

Удалось непосредственно измерить продолжи­тельность световых и темповых реакций фотосинтеза. Оказалось, что скорость световой реакции составляет 10^-5 с и не зависит от темпе­ратуры, тогда как скорость темновой значительно меньше и в зави­симости от температуры изменяется от 4Х10^-1 до 4Х10^-2 с.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ КИСЛОРОДА ПРИ ФОТОСИНТЕЗЕ

Большое значение для раскрытия вопроса о сущности реакций при фотосинтезе имело изучение особенностей бактериального фото­синтеза.

Окрашенные бактерии содержат пигменты, относящиеся к группе хлорофиллов, а именно бактериохлорофиллы, и синтезируют органическое вещество из неорганиче­ских соединений при участии энергии света. Однако этот процесс не сопровождается выделением кислорода. Это связано с тем, что в ка­честве источника водорода бактерии используют не воду, а сероводо­род или другие соединения. Такой тип ассимиляции СО₂ получил название бактериального фотосинтеза или фоторедукции. Наиболее распространены содержащие пигменты серные бакте­рии. У бактерий (фотолитотрофные бакте­рии) ассимиляция СО₂ сопровождается разложением сероводорода с выделением серы:

С0₂ + 2Н₂S + hv →[СН₂О] + 2S + Н₂О

где формула [СН₂О] означает, что один атом углерода восстановлен

до углеводов.

Есть несерные окрашенные бактерии, которые в качестве источ­ника водорода используют различные органические соединения (фотоорганотрофные микроорганизмы). Во всех случаях происходит восстановление СО₂ за счет водорода какого-либо другого соединения. Очевидно, что при фотосинтезе происходит сходный процесс, а именно разложение воды и присоединение водорода к СО₂. При этом кислород выделяется. Таким образом: 1. В процессе фотосинтеза раз­лагается вода и выделяется кислород. 2. Источником кислорода воздуха является процесс фотосинтеза.

Поскольку весь кислород фотосинтеза выделяется из воды, общее уравнение фотосинтеза принимает следующий вид:

6С0₂ +12Н₂О +hv→ С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 6Н₂О
Вода в правой части уравнения не подлежит сокращению, по­скольку ее кислород имеет иной изотопный состав (из СО₂).

В последнее время точными опытами установлено, что изотопный состав кислорода, выделяемого в процессе фотосинтеза, несколько отличается от изотопною состава кислорода воды. Исследования, проведенные с использованием меченого кислорода, позволили выяснить, что вода в хлоропластах неодно­родна и состоит из двух компонентов: воды, поступающей из внешней среды, и воды, которая образовалась в процессе самого фотосинтеза. Кислород этой (биосинтетической) воды более тяже­лый. В процессе фотосинтеза разлагаются оба типа воды для образования этого, более тяжелого кис­лорода на каждые 10 молекул обычной воды должна разлагаться (окисляться) одна молекула биосинтетической воды. Таким образом, даже изолирован­ные хлоропласты на свету в присутствии какого-либо легко восста­навливающегося вещества (акцептора водорода) окисляют воду, при этом кислород выделяется

ФОТОХИМИЧЕСКИЙ ЭТАП ФОТОСИНТЕЗА. ЦИКЛИЧЕСКОЕ И НЕЦИКЛИЧЕСКОЕ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

Фотохимические реакции фотосинтеза — это реакции, в которых энергия света преобразуется в энергию химических связей, и в пер­вую очередь в энергию фосфорных связей АТФ.

Энергия поглощенных квантов света стекается от сотен молекул пигментов к одной, характеризующейся поглощением в наиболее длинноволновой части солнечного спектра. Молекула хлорофилла-ло­вушки, связанная с реакционным центром, отдает электрон (окисля­ется). Электрон поступает в электронно-транспортную цепь. Перенос электрона по цепи переносчиков включает ряд окислительно-восста­новительных реакций, в ходе которых выделяется энергия. Эта энер­гия может быть использована для синтеза АТФ. Процесс преобразо­вания энергии квантов света в АТФ получил название фотосинтети­ческого фосфорилирования.

Различают два основных типа фотосинтетического фосфорилиро­вания: нециклическое и циклическое. Они связаны соответственно с нециклическим и циклическим потоками электронов. При цикличе­ском потоке электроны, переданные от молекулы хлорофилла пер­вичному акцептору, возвращаются к ней обратно. При нециклическом потоке происходит фотоокисление воды и передача электрона от воды к НАДФ.

Совокупность молекул пигментов (фотосинтетическая единица) совместно с определенными белками-переносчиками электронов со­ставляет фотосистему. В процессе фотосинтеза принимают участие две фотосистемы. Показано, что эффективность света с дли­ной волны 680—700 нм может быть значительно повышена добавле­нием света с более короткой длиной волны (λ 650—660 нм). Интен­сивность фотосинтеза при освещении смешанным светом (с двумя длинами волн) оказалась выше суммы интенсивностей фотосинтеза, наблюдаемой при освещении светом каждой длины волны в отдель­ности. Это явление называют эффектом усиления или эффектом Эмер­сона. Был сделан вывод, что необходимо одновременное световое возбуждение пигментов, различающихся по спектру поглощения. Именно это и привело к понятию о существовании двух фотосистем. Интересно, что эффект усиления наблюдается при изучении фотосин­теза у высших растений и водорослей. У бактерий этот эффект от­сутствует.

Установлено, что первая фотосистема у высших растений вклю­чает 200 молекул хлорофилла а, 50 молекул каротиноидов и 1 моле­кулу хлорофилла (хлорофилл-ловушка), поглощающую свет с дли­ной волны λ 700 нм (П₇₀₀). Вторая фотосистема включает 200 моле­кул хлорофилла а, 200 молекул хлорофилла b и 1 молекулу хлоро­филла, поглощающую свет с длиной волны λ 680 нм (П₆₈₀). По-види­мому, свет поглощается раздельно этими двумя фотосистемами и нормальное осуществление фотосинтеза требует их одновременного участия.

При нециклическом потоке электронов принима­ют участие две фотосистемы. Энергия квантов света стекается к мо­лекуле пигмента Шоо, который и выступает в виде ловушки (фото­система I). Электрон в молекуле П₇₀₀ переходит на более высокий энергетический уровень (S₁*). В основном состоянии О/В потенциал П₇₀₀ довольно высокий (+0,43 В). Следовательно, тенденция к поте­ре электрона (окислению) выражена очень слабо. Однако при погло­щении кванта света молекула П₇₀₀ переходит в возбужденное состоя­ние и ее окислительно-восстановительный потенциал падает до —0,60 мВ. Поэтому в возбужденном состоянии молекула П₇₀₀ легко отдает электрон (фотохимическая реакция). Отдавая электрон, молекула П₇₀₀ окисляется и остается в виде положительно заряженной молекулы. Электрон передвигается по направлению к НАДФ (О/В потен­циал — 0,32) через ряд переносчиков, расположенных в порядке воз­растания О/В потенциала. Электроны спонтанно текут в сторону более высоких окислительно-восстановительных потенциалов. Пере­носчик, воспринимающий электрон от П₇₀₀, имеет Е₀— 0,55. Следую­щим переносчиком является железосодержащий белок ферредоксин (Е₀ — 0,43). Ферредоксин содержит два атома железа в негеминовой форме. От ферредоксина электрон переносится на НАДФ (Е₀—0,32). Этот перенос осуществляется с помощью специфического белка-фер­мента (ферредоксин-НАДФ-редуктазы), коферментом которого явля­ется флавинадениндинуклеотид (ФАД).

Отдав электрон, П₇₀₀ остается в виде ионизированной молекулы. При этом О/В потенциал П₇₀₀ становится снова +0,43 (основное состояние). Благодаря этому он является прекрасным акцептором элек­тронов. Источником электрона, заполняющего эту «дырку», является фотосистема II. Она ответственна за реакции, связанные с разложе­нием воды и выделением кислорода. Ловушкой квантов света в фото­системе II является молекула хлорофилла, поглощающая свет с дли­ной волны — λ 680 (Хл₆₈₀). Под влиянием поглощенного кванта света возбужденный электрон молекулы Хл₆₈₀ воспринимается акцептором и передается дальше по цепи переносчиков. Образовавшаяся элек­тронная «дырка» в молекуле Хл₆₈₀ действует как сильный окисли­тель и через ряд переносчиков при участии иона марганца отнимает электрон от воды. Этот электрон заполняет электронную «дырку» в молекуле Хл₆₈₀. Происходит фотоокисление воды и выделяется кис­лород:

Полученный от Хл₆₈₀неизвестным акцептором Z, электрон пере­дается далее на пластохинон (Е₀ + 0,11). Пластохинон (производное хинона) имеет молекулярною массу 748. Считается, что в переносе электронов участвует 65 молекул пластохинона. От пластохинонов электрон воспринимается молекулой цитохрома f. Цитохром f отно­сится к группе цитохромов с (Е_о + 0,360). Воспринимая электрон, цитохром восстанавливается: Fе³⁺+ē →Fе²⁺. Следующий переносчик — пластоцианин. Отдавая электрон пластоцианину, цитохром окис­ляется: Fе²⁺ — ē → Fе³⁺. Пластоцианин — это медьсодержащий белок, в котором на каждую молекулу белка приходится два атома меди (Е₀ пластоциаиина + 0,370). От пластоцианина электрон заполняет элек­тронную «дырку» у П₇₀₀.

Перенос электрона по цепи переносчиков от фотосистемы II к фотосистеме I сопровождается аккумуляцией энергии в АТФ (АДФ + Ф →АТФ). Таким образом, отличительными особенностями нециклического фотосинтетического фосфорилирования является: 1) окисление двух молекул воды, происходящее в результате воздействия 8hv света, которые улавливаются двумя фотосистемами; 2) передача электронов от молекул воды через электронно-транспортную цепь на НАДФ. Продуктами процесса нециклического фотофосфорилирования являются восстановленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ^.Н₂) и АТФ. Эти соединения световой фазы в дальнейшем используются в темновой фазе фотосинтеза.

Нециклическое и цикли­ческое фотосинтетическое фосфорилирование принято включать в световую фазу фо­тосинтеза, однако свет необ­ходим только на первых эта­пах этих процессов. Перенос электрона по цепи переносчи­ков может происходить в тем­ноте. При рассмотрении при­веденных схем надо учитывать, что в зависимости от условий физического состояния хлоропластов расположение и набор пере­носчиков в электронно-транспортной цепи могут меняться. Вопрос, как осуществляется связь между переносом возбужденного светом электрона по цепи переносчиков и образованием АТФ за счет выде­ляющейся при этом энергии, до настоящего времени не выяснен. Наибольшее признание получила хемиосмотическая гипотеза, выдви­нутая английским ученым Митчеллом. Переносчики электронов (электронно-транспортная цепь) локализованы в мембранах в опре­деленной последовательности. По мнению Митчелла, переносчики расположены перпендикулярно мембране. Благодаря этому происхо­дит непрерывный перенос электрона с одной стороны мембраны па другую. При этом последовательно чередуются переносчики электро­нов (цитохромы) с переносчиками электрона и протона (пластохиноны). В результате происходит односторонний перенос протонов с наружной стороны мембраны тилакоидов на внутреннюю. Образуется градиент ионов водорода и соответственно на разных сторонах мембраны возникает разность потенциалов. Образование АТФ является результатом разрядки мембран. Электрохимическая энергия при этом превращается в химическую энергию макроэргической свя­зи АТФ.

Продукты световой фазы, в которых аккумулирована энергия све­та, — АТФ и НАДФ • Н₂ —назвали ассимиляционной силой. Образование этих соединений идет в отсутствии С0₂. При наличии АТФ и НАДФ-Н₂ восстановление С0₂ до уровня углеводов может происходить в темноте.

ТЕМНОВАЯ ФАЗА ФОТОСИНТЕЗА — ПУТЬ ПРЕВРАЩЕНИЯ УГЛЕРОДА

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.

«С-3» путь фотосинтеза (цикл Кальвина)

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 с 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 свет, фазы

6АТФ + 6НАДФ-Н₂

ЗРДФ + ЗС0₂ + ЗН₂0 →6 ФГК----------------→ 6 ФГА → 1 ФГА

↑ ↓

В← Б← А←---------------5 ФГА

Согласно этой схеме РДФ является акцептором, который при­соединяет С0₂, 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 три молекулы акцептора (РДФ) и образуется 6 молекул триозы (ФГА). Пять молекул ФГА идет па регенерацию акцептора. Каждая шестая молекула ФГА выходит из цикла и используется для построения углеводов. В связи с этим темповые реакции фотосинтеза можно представить как разветвленный цикл.

Цикл Кальвина можно разделить на три фазы.

Первая фаза — карбоксилирование. Эта реакция катализируется специфическим для процесса фотосинтеза ферментом РДФ-карбокси-лазой. В листьях этот фермент содержится в больших количествах и является основной фракцией белка хлоропластов. По-видимому, его образование активируется светом.

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

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. 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 образо ванием седогептулезодифосфата (С₇). После отщепления фосфата седогептулезодифосфат превращается в седогептулезофосфат. Далее снова происходит трапскетолазная 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. При прохождении двух циклов из 12 молекул образовавшегося ФГА две молекулы выходят из них, образуя одну молекулу фруктозодифосфата (ФДФ).

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-Н₂. Соответственно для восстановления до уровня угле­водов одной молекулы СО₂ необходимы три молекулы АТФ и две НАДФ • Н₂. Как мы видели, для образования двух молекул НАДФ • Н₂ и двух молекул АТФ необходимо 8 квантов света. Недостающее коли­чество АТФ образуется в процессе циклического фотофосфорилирования. Следовательно, для восстановления одной молекулы СО₂ 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 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 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 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 фосфоенолпировиноградной 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 транскарбоксилировапия, при которой СО₂ снова отщепляется от органических кислот и вступает в цикл Кальвина — присоединяется к рибулезодифосфату. 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 гранальпые пластиды в клетках мезофилла листа.

В клетках мезофилла с мелкими хлоропластами осуществляется карбоксилирование фосфоеполпировиноградной 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 СО₂ отщепляется и вступает в цикл Кальвина. При этом фосфоенолпировиноградная кислота (ФЕП) регенерирует. По­скольку при таком механизме фотосинтеза принимают участие два типа клеток и два 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, 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 неиден­тифицированный 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 фотосинтез.

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 фотосинтетическим ко­эффициентом понимается отношение выделенного в процессе фото­синтеза кислорода к поглощенной СО₂. Если в процессе фотосинтеза образуются углеводы, то, согласно приведенному суммарному урав­нению, фотосинтетический коэффициент должен быть равен единице:

6О₂

- — = 1.

6СО₂

Если представить себе, что в процессе фотосинтеза образуются соединения более восстановленные (содержащие меньше 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.

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. Усиление снабжения растений азотом, естественно, также приводит к увели­чению первичного синтеза белка.

Фотосинтетическое образование углеводов

В результате двух циклов Кальвина образуется фруктозодифосфат. 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 уридиндифосфоглюкозу (УДФГ). В свою очередь, УДФГ, реагируя с Ф-6-Ф, дает сахарозофосфат. Из сахарозофосфата путем дефосфорилирования образуется сахароза. Для образования одной молекулы сахарозы необходимо, чтобы прошли четыре цикла Кальвина. По-видимому, именно 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, серин, 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^. Н₂, из-за чего задержива­ется преобразование ФГК в ФГА (обычный путь в цикле Кальвина). Пировиноградная кислота в присутствии NН₃ дает аминокислоту аланин. Показано, что скорость включения ¹⁴СО₂ в аланин в клетках хлореллы при некоторых условиях может даже превышать скорость ее включения в сахарозу.

При взаимодействии пировиноградной кислоты с глютаминовой образуется аминокислота серин (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 нм) усиливается фотосинтетическое образование как ами­нокислот, так и белков. В присутствии ингибиторов синтеза белка действие синего света не проявляется.