Ассимиляция СО2 у С4-растений.

После открытия реакций цикла Кальвина различными исследователями изучалось фотозависимое включение меченного ¹⁴С 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 ¹⁴С 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:

	СН2 СН2-СООН (1) | | СО~(Р) + СО2 + Н2О ¾¾® СО-СООН + Н3РО4 | щавелевоуксус- СООН ная кислота фосфоенолпиро- виноградная кислота

 

 

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 Mn²⁺. 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):

		СН2-СООН СН2-СООН (2) | + НАДФ×Н + Н+ ¾¾® | + НАДФ+ СО-СООН СНОН-СООН щавелевоуксусная яблочная кислота кислота

 

Одновременно с превращением в яблочную кислоту щавелевоуксусная кислота может вступать в реакцию переаминирования с образованием аспарагиновой кислоты:

	СН2-СООН СН2-СООН СН2-СООН СН2-СООН | + | аминотранс- | + | СО-СООН СН2 ¾¾¾® СНNН2-СООН СН2 щавелевоуксус- | фераза аспарагиновая | ная кислота СНNН2-СООН кислота СО-СООН глутаминовая a-кетоглутаро- кислота вая кислота

 

 

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:

	СН2-СООН СН3 (3) | + НАДФ+ ¾¾® | + НАДФ×Н + Н+ + СО2 СНОН-СООН С=О яблочная | кислота СООН пировиноградная кислота

 

 

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:

	СН3 СН2 (4) | + АТФ + Н3РО4 ¾¾® || + АМФ + Н4Р2О7 С=О СО~(Р) | | СООН СООН пировино- фосфоенолпиро- градная кислота виноградная кислота

 

 

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.