ПУТЬ ПРЕВРАЩЕНИЕ УГЛЕРОДА – ТЕМНОВАЯ ФАЗА ФОТОСИНТЕЗА

План лекции:

1. С₃-путь фотосинтеза (цикл Кальвина)

2. С₄-путь фотосинтеза (цикл Хетча — Слэка)

3. Влияние условий на интенсивность процесса фотосинтеза

3.1.Коэффициент использования солнечной энергии.

3.2.Влияние температуры

3.3 Влияние содержания СО₂ в воздухе

3.4 Влияние снабжения водой

3.5 Снабжение кислородом и интенсивность фотосинтеза

3.6 Влияние минерального питания

1. С₃-путь фотосинтеза (цикл Кальвина)

Темновая фаза фотосинтеза— это совокупность биохимических реакций, в ре­зультате которых происходит усвоение растениями углекислого газа атмосферы (СО₂) и образование углеводов. Ферменты, катализирующие темновые реакции растворены в строме. Если оболочки хлоропласта разрушить, то эти ферменты из стромы вымываются, в результате чего хлоропласты теряют способность ус­ваивать СО₂. Сущность темновых реакций процесса фотосинтеза была раскры­та благодаря исследованиям американского ученого Мелвина Кальвина. За эту работу в 1961 г. Кальвину с сотрудниками была присуждена Нобелевская пре­мия. При этом успех экспериментов 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 возможность использования метода радиоактивных изотопов при изучении химизма фотосинтеза.

Второй метод — хроматография на бумаге. Если вещества, разогнанные на хроматограмме, содержат радиоактивные атомы, то их легко обнаружить с по­мощью радиоавтографии. Применяя указанные методы и короткие световые экс­позиции можно определить, какие вещества и в какой последовательности обра­зуются из ¹⁴СО₂. В качестве объекта исследований была взята зеленая водоросль хлорелла. После кратковременных экспозиций на свету в присутствии ¹⁴СО₂ рас­тения фиксировались горячим спиртом. Спиртовой экстракт концентрировал­ся, разделялся хроматографически и анализировался. Опыты показали, что через 5 с пребывания в атмосфере ¹⁴СО₂ на свету большая часть радиоактивного угле­рода сосредоточивается 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 в отсутствие ¹⁴СО₂). Ока­залось, что после выключения света содержание ФГК некоторое время продол­жает расти. Одновременно наблюдалось быстрое исчезновение пятиуглеродного соединения — рибулезо-1,5-бифосфата (РБФ). Через 30 с РБФ не обнаружи­вался, а количество ФГК не изменялось. Вместе с тем на свету РБФ не исчезал, и его содержание оставалось постоянным. Иная картина наблюдалась в отсут­ствие СО,. В этом случае ни в темноте, ни на свету содержание РБФ не изме­нялось. Из полученных данных следовало, что в присутствии углекислого газа РБФ в темноте используется для образования ФГК. Дальнейшие превращения ФГК требуют света. В силу этого Кальвин выдвинул следующую предваритель­ную схему процесса фотосинтеза:

Согласно этой схеме РБФ является акцептором, который присоединяет СО₂, в результате чего образуется ФГК. Однако в отсутствие света РБФ 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 (РБФ). Для процесса регенерации РБФ также необходима АТФ, образовавшая­ся в световой фазе. В силу этого количество РБФ на свету поддерживается на постоянном уровне. В каждом цикле принимают участие три молекулы акцеп­тора (РБФ) и образуется 6 молекул триозы (ФГА). Пять молекул ФГА идет на регенерацию акцептора через ряд промежуточных продуктов (на схеме А, Б, В). Каждая шестая молекула ФГА выходит из цикла и используется для построения углеводов и других метаболитов. Рассмотрим этот цикл более подробно.

Цикл Кальвина можно разделить на фазы.

Первая фаза — карбоксилирование.Зга реакция катализируется специфиче­ским для процесса фотосинтеза ферментом рибулозобисфосфат-карбоксилазой/ оксигеназой (сокращенно РБФ-карбоксилаза/оксигеназа), в научной литературе последних лет чаще встречается под названием Rubisco, от ribulosobiphosphat-ecarboxylase/oxygenase. Впервые Rubisco был выделен и очищен в 1955 году. Осо­бенностью фермента является то, что катализируемаяимреакция является самой медленной стадией в цикле фиксации углекислоты. В листьях Rubisco содер­жится в больших количествах и является основной фракцией белка хлоропластов. Более того, высказывается мнение, что это самый распространенный белок-фер­мент на земном шаре. В активное состояние фермент переходит при освещении хлоропластов. Уже отмечалось, что формирование этого фермента происходит под контролем двух геномов: большие субъединицы (54 кДа) кодируются в яд­ре, синтезируются в цитоплазме; малые — кодируются и синтезируются в хло­ропласте.

При взаимодействии РБФ с СО₂ образуется сначала промежуточное нестойкое шестиуглеродное соединение, которое затем распадается на две молекулы ФГК.

Образовавшаяся ФГК — это органическая кислота, и ее энергетический уро­вень ниже уровня Сахаров. Поэтому это соединение не может непосредственно превращаться в углеводы. Необходимо превращение его в трехуглеродный са­хар — фосфоглицериновый альдегид (ФГА).

Вторая фаза — восстановление.Дальнейшие превращения ФГК требуют учас­тия продуктов световой фазы фотосинтеза: АТФ и НАДФН + Н⁺. Реакция идет в два этапа. Прежде всего, происходит реакция фосфорилирования 3-ФГК. Донором фосфатной группы является АТФ. АТФ требуется здесь в качестве дополнительного источника энергии. Образуется 1,3-дифосфоглицериновая кислота. Реакция катализируется ферментом фосфоглицерокиназой:

Образовавшееся в этой реакции соединение — дифосфоглицериновая кислота — обладает более высокой реакционной способностью, содержит макроэргическую связь, полученную от АТФ. Затем карбоксильная группировка этого соедине­ния восстанавливается до альдегидной с помощью триозофосфатдегидрогена-зы, коферментом которойслужит НАДФ:

Образовавшийся ФГА является по уровню восстановленности углеводом. Это соединение вступает в две последние фазы. Пять молекул ФГА используется на регенерацию акцептора РБФ для того, чтобы фиксация СО₂ могла снова осуще­ствляться. Оставшаяся шестая молекула вступает в фазу «синтеза продуктов», где превращается в более сложные соединения (углеводы, аминокислоты и др.).

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

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

От ФДФ отщепляется фосфат, и ФДФ превращается во фруктозо-6-фосфат (ф-6-Ф). Далее от Ф-6-Ф (С₆) отщепляется 2-углеродный фрагмент (—СО— —СН₂ОН), который переносится на следующую (третью)триозу. Это транске-толазная реакция идет при участии фермента транскетолазы. В результате обра­зуется первая пентоза (С₅)-рибулезофосфат. От Ф-6-Фостается 4-углеродный сахар эритрозофосфат (С₄), который конденсируется с четвертойтриозой с об­разованием седогептулезодифосфата (С₇). После отщепления фосфата седогепту-лезодифосфат превращается в седогептулезофосфат. Далее снова происходит транскетолазная реакция, в результате которой от седогептулезофосфата отще­пляется 2-углеродный фрагмент, который переносится на пятуютриозу. Образу­ются еще две молекулы рибулезофосфата. Таким образом, в результате рассмот­ренных реакций получаются 3 молекулы рибулезофосфата. Для образования из них акцептора (РБФ) необходимо их фосфорилирование. Для этого использу­ются три молекулы АТФ, образовавшиеся в результате световых реакций. Все реакции, входящие в цикл Кальвина, представлены на схеме (рисунок 1).

Общее суммарное уравнение цикла следующее:

Образовавшийся триозофосфат (ФГА) вступает в четвертую стадию темно-вых реакций — стадию образования продуктов фотосинтеза.

При прохождении двух циклов из 12 молекул образовавшегося ФГА две мо­лекулы выходят из них, образуя одну молекулу фруктозодифосфата (ФДФ). 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 ури-динтрифосфатом (УТФ), дает уридиндифосфоглюкозу (УДФГ).

Рисунок 1 - Путь углерода в фотосинтезе (цикл Кальвина)

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 (ДЦФГ) или уридиндифосфоглюкозы (УДФГ), процесс катализируется ферментом амилосинтетазой.

Среди первых продуктов фотосинтеза обнаружены аминокислоты. По-види­мому, ФГК, образовавшаяся на первом этапе цикла Кальвина, может превра­щаться в пировиноградную кислоту. Этот процесс идет особенно интенсивно при недостатке НДДФН, из-за чего задерживается преобразование ФГК в ФГА (обычный путь в цикле Кальвина). Пировиноградная кислота в присутствии NH, дает аминокислоту аланин. Показано, что скорость включения ¹⁴СО₂ в аланин в клетках хлореллы при некоторых условиях может даже превышать скорость ее включения в сахарозу. 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.

Наконец, из промежуточных продуктов цикла Кальвина могут образовываться жиры, липиды и другие продукты. Состав продуктов, образующихся при фото­синтезе, может быть определен исходя из величин фотосинтетического коэффи­циента. Под фотосинтетическим коэффициентомпонимается отношение выделен­ного в процессе фотосинтеза кислорода к поглощенному СО₂. Если в процессе фотосинтеза образуются углеводы, то, согласно приведенному суммарному уравнению, фотосинтетический коэффициент должен быть равен единице: 6О₂/6СО₂ = 1. При образовании соединений, более восстановленных (содер­жащих меньше кислорода) по сравнению с углеводами, фотосинтетический коэффициент должен быть больше единицы. 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%). Установлено, что величина фотосинтетического коэффициента меняется в зависимости от условий. 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 повышению фотосинтетического коэффициента и увеличению первичного синтеза белка. Имеются данные, что на качество продуктов фотосинтеза оказывает влияние интенсивность освеще­ния. При высокой освещенности образуется больше углеводов, а при понижен­ной — аминокислот. Таким образом, изменяя условия среды, можно регулиро­вать соотношение продуктов фотосинтеза. Указанные закономерности имеют большое не только теоретическое, но и практическое значение, так как позво­ляют направленно регулировать химический состав сельскохозяйственных рас­тений и создавать условия для преимущественного синтеза углеводов, белков или жиров (А.А. Ничипорович). Выяснение механизма регуляции образования тех или иных продуктов фотосинтеза дает возможность улучшить состав сель­скохозяйственных культур. Примером в этом отношении могут служить опыты с одноклеточной водорослью хлореллой, у которой удалось повысить содержание аминокислот и жиров за счет снижения содержания углеводов путем добавле­ния в питательную среду NH₄C1 (10~³ М). Все же основным продуктом фотосин­теза являются сахара. В связи с этим можно следующим образом расшифровать суммарное уравнение фотосинтеза.

Световые реакции:

Темновые реакции:

На основании приведенных реакций можно рассчитать энергетический ба­ланс цикла Кальвина. Для восстановления шести молекул СО₂ до уровня угле­водов (глюкозы) требуется 18 молекул АТФ и 12 НАДФН. Соответственно для восстановления до уровня углеводов одной молекулы СО₂ необходимы три мо­лекулы АТФ и две НАДФН. Как мы видели, для образования двух молекул НАДФН 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 СО, до уровня углеводов затрачивается примерно 1340—1508 кДж. Из этой энергии в у₆ 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 стро-ме хлоропластов. Согласованному осуществлению всех реакций способствует то, что эти ферменты часто ассоциированы на поверхности мембран и состав­ляют определенные ансамбли.

Путь ассимиляции углерода при фотосинтезе, установленный Кальвином и предложенный в виде цикла Кальвина, является общим для всех автотрофных организмов. Однако существуют разные пути передачи СО₂ в цикл Кальвина. Так, австралийские ученые М.Д. Хетч и К.Р. Слэк (1966) и советский ученый Ю.С. Карпилов (1960) показали, что у некоторых растений, преимущественно тропических и субтропических (в том числе кукуруза, сахарный тростник, ама­рант, просо, сорго), фотосинтез идет несколько по-иному.

В этом случае первым продуктом карбоксилирования является соединение, содержащее 4 атома углерода. Поэтому этот путь получил название С₄-пути, в отличие от цикла Кальвина, в котором образуется ФГК, содержащая 3 атома углерода (С₃-путь).

2. С₄-путь фотосинтеза (цикл Хетча — Слэка)

Исследования показали, что в растениях, в которых процесс фотосинтеза про­текает по С₄-пути, имеются два типа клеток и хлоропластов: 1) мелкие гранальные пластиды в клетках мезофилла листа; 2) крупные пластиды, часто лишен­ные гран, в клетках обкладки, окружающих сосудистые пучки. Клетки обкладки имеют утолщенные клеточные стенки, содержат большое количество хлоропластов и митохондрий, расположены вокруг сосудистых пучков в 1 или 2 слоя. Совокупность указанных особенностей анатомического строения получила название корончатой анатомии или корончатого синдрома (от слова kranz — корона).

Хлоропласта разных типов клеток характеризуются не только особенностя­ми строения, но и разным типам фосфорилирования. В клетках мезофилла по преимуществу происходит нециклическое фосфорилирование и образуется НАДФН, необходимый для цикла Кальвина, идущего в клетках обкладки. В хло-ропластах клеток обкладки идет только циклическое фосфорилирование. Такое разделение типов фосфорилирования, возможно, связано с тем, что к хлоро-пластам клеток обкладки, расположенным в глубине листа, проникает по пре­имуществу более длинноволновый свет, который не поглощается фотосистемой, ответственной за разложение Н₂О.

На первом этапе С₄-пути углекислый газ, диффундирующий в лист через устьица, попадает в цитоплазму клеток мезофилла с мелкими хлоропластами, в которых и происходит реакция карбоксилирования фосфоенолпировиноградной кислоты (ФЕП):

Реакция катализируется ферментом фосфоенолпируваткарбоксилазой (ФЕП-карбоксилазой) с образованием щавелевоуксусной кислоты (оксалоацетат). ЩУК преобразуется в яблочную кислоту (малат) или аспарагиновую (аспартат). Вос­становление до маната происходит в присутствии НАДФН, а для образования аспартата необходимо наличие NH₄⁺. Затем яблочная (или аспарагиновая) кислота, по-видимому, по плазмодесмам передвигается в клетки обкладки. В клетках обкладки яблочная кислота декарбоксилируется ферментом малатдегидрогеназой до пировиноградной кислоты {пируват) и СО₂. Реакция декарбоксилирования может варьировать у разных групп растений с использованием разных фер­ментов. СО₂ поступает в хлоропласты клеток обкладки и включается в цикл Каль­вина—присоединяется к РБФ (рисунок 2). Пируват возвращается в клетки мезо­филла и превращается в первичный акцептор СО₂ — ФЕП.

Таким образом, при С₄-пути реакция карбоксилирования происходит дваж­ды. Это позволяет растению создавать запасы углерода в клетках. Акцепторы Ор₂ (ФЕП и РБФ) регенерируют, что и создает возможность непрерывного функ­ционирования циклов. Фиксация СО₂ с участием ФЕП и образованием малата или аспартата служит своеобразным насосом для поставки С0₂ в хлоропласты обкладки, функционирующих по С₃-пути. Поскольку при таком механизме фо­тосинтеза принимают участие два типа клеток и два типа хлоропластов, этот путь называют еще кооперативным (Ю.С. Карпилов, 1970).

Рисунок 2 - Фотосинтетический цикл Хэтча-Саэка (С₄ — путь):

ФЕП— фосфоенолпировиноградная кислота;

ЩУК— щавелевоуксусная кислота;

ЯК — яблочная кислота;

ПВК— пировиноградная кислота;

РБФ— рибулозо-1,5-бифосфат;

3-ФГК— фосфоглицериновая кислота;

ФГА— фосфоглицериновый альдегид

Высказывается мнение, что С₄-путь возник в процессе эволюции как при­способление к изменившимся условиям среды. При возникновении фотосин­теза атмосфера была значительно богаче СО₂ и беднее О₂. Именно поэтому важнейший фермент цикла Кальвина Rubisco (РБФ-карбоксилаза/оксигеназа) может работать только при сравнительно высоких концентрациях СО₂. Благо­даря деятельности самих растений состав атмосферы изменился: содержание СО₂ резко уменьшилось, а О₂ возросло. В изменившихся условиях в осуществлении темновых реакций фотосинтеза появился ряд приспособительных черт. В част­ности значительно увеличилось содержание фермента Rubisco, который состав­ляет почти половину белков стромы хлоропластов. Вместе с тем у некоторых растений выработался особый, дополнительный путь связывания СО₂ с помощью ФЕП-карбоксилазы. Этот фермент обладает большим сродством к углекислоте и работает при концентрациях СО₂ во много раз более низких по сравне­нию с Rubisco. Установлено, что и сопротивление мезофилла диффузии СО₂ у С₄-растений более чем в 3,5 раз меньше и составляет 0,3—0,8 см/с, в то время как у С₃ — растений — 2,8 см/с.

Фиксация по С₄-пути имеет еще ряд преимуществ. Растения С₃-пути харак­теризуются высокой интенсивностью процесса, получившего название фото­дыхания. Под фотодыханиемпонимают поглощение кислорода и выделение СО, на свету с использованием в качестве субстрата промежуточных продуктов цикла Кальвина. Как показали исследования, Rubisco (РБФ-карбоксилаза/оксигена­за) имеет двойственную функцию и может катализировать не только реакцию карбоксилирования цикла Кальвина: РБФ + СО₂ →2ФГК. Rubisco способна реагировать с О₂, осуществляя оксигеназную реакцию, при этом образуется фос-фогликолевая кислота:

РБФ + О₂ → ФГК + фосфогликолевая кислота.

Фосфогликолевая кислота через ряд превращений распадается с выделением СО₂. Таким образом, при фотодыхании часть промежуточных продуктов фото­синтеза теряется за счет выделения СО₂. Реакции окисления и карбоксилирова­ния конкурируют друг с другом, а осуществление Rubisco карбоксилазной или оксигеназной функции зависит от содержания О₂ и СО₂. Фотодыхание требует повышенной концентрации О₂. Между тем, как уже упоминалось, в хлоропластах клеток обкладки концентрация О₂ понижена, так как в них происходит толь­ко циклическое фосфорилирование, при котором вода не разлагается и О₂ не выделяется. Вместе с тем в клетках обкладки повышена концентрация СО₂. Такие условия ингибируют процесс фотодыхания в клетках обкладки и поэтому рас­тения С₄-типа характеризуются очень низкой потерей СО₂ в результате фотоды­хания.

Потери на фотодыхание у С₃-растений особенно возрастают при повышении температуры и освещенности. В этой связи понятно, что растения С₄ — это, глав­ным образом, южные и даже тропические, которые получают дополнительные преимущества в смысле продуктивности фотосинтеза. Оптимум температуры для фотосинтеза у С₃-растений 20—25 ⁰С, тогда как у растений С₄ 30—45⁰С.

Светонасыщение фотосинтеза С₄-растений также происходит при более вы­соких значениях интенсивности света, чем у С₃-растений. Так, у растений С₃-пути интенсивность фотосинтеза перестает увеличиваться при 50% от пол­ного солнечного освещения, в то время как у С₄-форм этого не происходит. Такие особенности С₄-растений объясняют высокую интенсивность фотосинтеза при повышенных температуре и освещенности. Характерным признаком растений С₄-пути является, наконец, то, что образование продуктов цикла Кальвина про­исходит в хлоропластах, расположенных непосредственно около проводящих пучков. Это благоприятствует оттоку ассимилятов и, как следствие, повышает интенсивность фотосинтеза. Различия между С₃- и С₄-растениями можно про­демонстрировать, поместив их рядом в одной камере (например, кукурузу и бо­бы) при высокой температуре и освещенности. Окажется, что СО₂, выделяясь в процессе дыхания, постепенно переходит к кукурузе и соответственно изме­няет темпы ее роста. Кукуруза как бы «съедает» растения бобов.

Показано, что С₃-растения ассимилируют СО₂ на полном солнечном свету со скоростью 1—50 мг/дм²ч, а С₄-растения — со скоростью 40—80 мг/дм²ч. Ку­куруза, сорго, просо, сахарный тростник являются одними из наиболее продук­тивных культур. Так, интенсивность фотосинтеза у кукурузы 85 мг СО₂/дм²-ч, сорго — 55 мг СО₂/дм²-ч, тогда как у пшеницы всего 31 мг СО₂/дм²ч. Высокая потенциальная продуктивность С₄-растений наиболее полно реализуется при полном солнечном освещении и высокой температуре.

Важной физиологической особенностью С₄-растений является их высокая засухо- и термоустойчивость. По мнению ряда исследователей возникновению С₄-пути фотосинтеза способствовали засушливые условия окружающей среды. Уже отмечалось, что пространственное разделение процессов позволяет расте­ниям с С₄-путем фотосинтеза осуществлять фиксацию углекислоты даже приотносительно закрытых устьицах, поскольку хлоропласты клеток обкладки ис­пользуют СО₂, накопленный в виде доноров СО₂ (малат или аспартат). Извест­но, что закрывание устьиц на наиболее жаркое время дня сокращает потери воды устьиц). Вместе с тем листья светолюбивых растений, а также верхние ярусы ли­стьев, характеризуются большей толщиной, с сильно развитой палисадной па­ренхимой. В некоторых случаях палисадная паренхима располагается не только с верхней, но и с нижней стороны листа. Листья теневыносливых растений, как правило, имеют более крупные хлоропласты, с большим содержанием пигмен­тов и несколько иным их соотношением. Уже отмечалось, что теневыносливые растения имеют больший размер светособирающего комплекса. Хлоропласты этих растений содержат относительно больше хлорофилла и ксантофилла по сравнению со светолюбивыми. Эти особенности в содержании состава пигмен­тов позволяют листьям теневыносливых растений поглощать и использовать ма­лые количества света, а также участки солнечного спектра, уже прошедшие через листья светолюбивых растений.

Важной особенностью, определяющей возможность растений произрастать при большей или меньшей освещенности, является положение компенсацион­ной точки. Под компенсационной точкой понимается та освещенность, при которой процессы фотосинтеза и дыхания уравновешивают друг друга. Иначе говоря, это та освещенность, при которой растение за единицу времени образу­ет в процессе фотосинтеза столько органического вещества, сколько оно тратит в процессе дыхания. Естественно, что рост зеленого растения может идти толь­ко при освещенности выше компенсационной точки. Чем ниже интенсивность дыхания, тем ниже компенсационная точка и тем при меньшей освещенности растения растут. Теневыносливые растения характеризуются более низкой интенсивностью дыхания, а соответственно и компенсационной точкой, что позволяет расти при меньшей освещенности. Компенсационная точка заметно растет с повышением температуры, так как повышение температуры сильнее увеличивает дыхание по сравнению с фотосинтезом. Именно поэтому при по­ниженной освещенности (например, в оранжереях зимой) необходима умерен­ная положительная температура; повышение температуры в этих условиях мо­жет снизить темпы роста растений. У ряда светолюбивых растений, таких, как кукуруза, просо, сорго, интенсивность фотосинтеза непрерывно возрастает и световое насыщение {выход на плато) не достигается даже при самой высокой освещенности. Для растений менее светолюбивых увеличение интенсивности освещения свыше 50% от полного солнечного освещения оказывается уже из­лишним. Для растений теневыносливых и особенно тенелюбивых (мхи, водо­росли) выход на плато фотосинтеза происходит уже при 0,5— 1 % от полного днев­ного света.

3. Наконец, обсуждая вопрос об использовании света растениями, необходи­мо также подчеркнуть, что конечный выход продуктов фотосинтеза зависит от скорости не столько световых, сколько темновых реакций. В настоящее время показано, что свет оказывает стимулирующее влияние на работу ряда фермен­тов (Rubisco, АТФ-синтаза и др.). Активация этих ферментов под действием света связана с работой специального белка— тиоредоксина, содержащего тиоловые группы и способного к окислительно-восстановительным превращениям:

В хлоропластах тиоредоксин восстанавливается, принимая электроны от вос­становленных молекул ферредоксина. Восстановленный тиоредоксин окисля­ется, отдавая, в свою очередь, электроны молекуле фермента. Таким образом, при переходе от темноты к свету, когда в хлоропластах начинает работать цепь переноса электронов, и образуются восстановленные молекулы ферредоксина, происходит активация Rubisco: ферредоксин — тиоредоксин — Rubisco .

Однако в основном с увеличением интенсивности освещения возрастает ско­рость световых реакций, и темновые реакции не успевают за ними. В этой связи снова необходимо обратить внимание на то, что темновые реакции пути С₄ при высокой освещенности идут быстрее и меньше лимитируют использование про­дуктов световой фазы и, следовательно, общую интенсивность фотосинтеза. Воз­можно, это связано с тем, что активность фермента ФЕП-карбоксилазы более резко стимулируется светом по сравнению с Rubisco.

3. Влияние условий на интенсивность процесса фотосинтеза

3.1.Коэффициент использования солнечной энергии.

Показателем эффективности использования солнечной радиации растениями является коэффициент полезного действия (КПД). КПД— это отношение ко­личества энергии, запасенной в продуктах фотосинтеза или образовавшейся в фитомассе урожая, к количеству поглощенной радиации:

где g — калорийность растений (ккал/г); у — биологический урожай общей су­хой фитомассы (г/см²); ∑Q_ф — сумма ФАРза вегетационный период (ккал/см²). Под ФАР(фотосинтетически активной радиацией) понимается участок сол­нечного спектра, поглощаемый пигментами зеленого листа (380—740 нм). КПД выражается либо по отношению к падающей, либо по отношению к погло­щенной растениями ФАР. Если рассматривать планету Земля в целом, то КПД падающей ФАР составляет около 0,2%. Следовательно, КПД фотосинтеза в ес­тественных условиях ничтожно мал. Для разных растений и в разных условиях выращивания КПД поглощенной ФАР составляет следующие величины: кукуру­за 2,5—5,7, ячмень 2,6—4,0, рис 2,5—4,4, озимая пшеница 1,1—6,3 (Х.Г. Туминг). Задача повышения КПД использования солнечной энергии является одной из важнейших в физиологии, а также в селекции сельскохозяйственных растений.

3.2.Влияние температуры

Влияние температуры на фотосинтез находится в зависимости от интенсивно­сти освещения. При низкой освещенности фотосинтез от температуры не зави­сит (Q₁₀ = 1). Следовательно, при низком уровне освещенности фотосинтез идет с одинаковой скоростью при 15° и 25°С. Этосвязано с тем, что при низкой осве­щенности интенсивность фотосинтеза лимитируется скоростью световых реак­ций. Напротив, при высокой освещенности скорость фотосинтеза определяется протеканием темновых реакций. В этом случае влияние температуры проявля­ется очень отчетливо и температурный коэффициент Q₁₀ может быть около двух. Так, для подсолнечника повышение температуры в интервале от 9 до 19°С увели­чивает интенсивность фотосинтеза в 2,5 раза. Температурные пределы, в которых возможно осуществление процессов фотосинтеза, различны для разных растений. Понижение температуры влияет на фотосинтез прямо, уменьшая активность ферментов, участвующих в темновых реакциях, и косвенно, благодаря повреж­дению органелл. Минимальная температура для фотосинтеза растений средней полосы около 0°С, для тропических растений 5—10°С. Имеются данные, что ранневесенние и высокогорные растения могут осуществлять фотосинтез и при тем­пературе ниже 0°С. Лишайники могут ассимилировать СО₂ при температуре —25°С. Оптимальная температура фотосинтеза для большинства растений средней полосы составляет примерно 20—25°С. При этом для растений, веду­щих фотосинтез по С₄-пути, оптимальная температура более высокая (35—45°С и выше), для цианобактерий оптимум температуры фотосинтеза значительно выше. При температуре выше оптимальной интенсивность фотосинтеза резко падает. Это связано с тем, что зависимость процесса фотосинтеза от температу­ры представляет собой равнодействующую противоположных процессов. Так, повышение температуры увеличивает скорость темновых реакций фотосинте­за. Одновременно при температуре 25—30°С происходит процесс инактивации хлоропластов. Повышение температуры может вызвать также закрытие устьичных щелей. Наконец, как уже говорилось, повышение температуры уве­личивает интенсивность дыхания, и в этой связи видимый фотосинтез (разность между фотосинтезом и дыханием) уменьшается. Понижение температуры так­же снижает фотосинтез, поскольку тормозится активность ферментов, умень­шается скорость диффузионных процессов, а также отток ассимилятов.

3.3 Влияние содержания СО₂ в воздухе

Источником углерода для процесса фотосинтеза является углекислый газ. Попыт­ки заменить углекислый газ угарным (СО) не увенчались успехом. В основном в процессе фотосинтеза используется СО₂ атмосферы. Правда, имеются данные, что частично СО₂ может поступать в растения через корневую систему из почвы (АЛ. Курсанов). Однако этот источник имеет сравнительно малое значение.

Содержание СО₂ в воздухе составляет всего 0,03%. Разные растения неоди­наково используют одни и те же концентрации СО₂. Растения, у которых фото­синтез идет по С₄-пути (кукуруза, просо, сорго и др.), обладают более высокой способностью к связыванию СО₂ благодаря высокой активности фермента ФЕП-карбоксилазы. Процесс фотосинтеза может осуществляться при содержании СО₂ для C₃-растений не менее 0,005, а для С₄ — не менее 0,0005%.

Повышение содержания СО₂ до 1,5% вызывает прямо пропорциональное воз­растание интенсивности фотосинтеза у зерновых культур. Для других растений такое увеличение интенсивности фотосинтеза идет до 0,1%. При увеличении содержания СО₂ до 15—20% процесс фотосинтеза выходит на плато, затем насту­пает депрессия фотосинтеза. Есть растения, более чувствительные к повыше­нию концентрации СО₂, у которых торможение фотосинтеза начинает прояв­ляться уже при содержании СО₂, равном 1%. Повышение концентрации СО₂ оказывает ингибирующее влияние в силу разных причин. Увеличение содержа­ния СО₂ вызывает закрытие устьиц. Высокие концентрации СО₂ сказываются особенно неблагоприятно при высокой освещенности. Это заставляет полагать, что СО₂ в определенных концентрациях ингибирует отдельные ферментатив­ные реакции цикла Кальвина. В естественных условиях содержание СО₂ настоль­ко мало, что может ограничивать возрастание процесса фотосинтеза. Особенно резко это проявляется при достаточно высокой интенсивности света, когда ли­митирующими являются темновые реакции. Надо учесть, что в дневные часы содержание СО₂, в воздухе вокруг растений понижается. Так, над полем кукуру­зы содержание СО₂ днем снижается в 3 раза (до 0,01%). Это происходит несмот­ря на пополнение СО₂ за счет перемещения слоев атмосферы и выделения СО₂ в процессе дыхания (главным образом, почвенной микрофлорой).

В связи со сказанным увеличение содержания СО₂ в воздухе является одним из важных способов повышения интенсивности фотосинтеза и, как следствие, накопления сухого вещества растением. Однако в полевых условиях регулирова­ние содержания СО₂ затруднено. Частично это может быть достигнуто с помощью усиления выделения СО₂ почвой при внесении органических удобрений. Легче достигается повышение содержания СО₂ в закрытом грунте. В этом случае под­кормки СО₂ дают хорошие результаты.

3.4 Влияние снабжения водой

Вода является непосредственным участником процесса фотосинтеза. Однако ко­личество воды, необходимое для образования углеводов, ничтожно мало по срав­нению с общим содержанием воды, необходимым для поддержания клетки в тургорном состоянии. Вместе с тем при полной насыщенности водой клеток листа фотосинтез снижается. Частично это может быть связано с тем, что при полном насыщении клеток мезофилла замыкающие устьичные клетки оказы­ваются несколько сдавленными, устьичные щели не могут открыться (гидро­пассивные движения). Однако дело не только в этом. Небольшое обезвожива­ние листьев сказывается благоприятно на процессе фотосинтеза и вне зависи­мости от степени открытия устьиц. Так, погружение листьев в раствор маннита в концентрации 0,2—0,4 М вызывает водный дефицит, равный 15—20%, и неко­торое возрастание интенсивности фотосинтеза. Таким образом, небольшой вод­ный дефицит (5—15%) в клетках листьев оказывает благоприятное влияние на интенсивность фотосинтеза (В.А. Бриллиант). По-видимому, в процессе эво­люции выработаны приспособления работы ферментов к небольшому водному дефициту. Действительно, небольшой водный дефицит активизирует ряд фер­ментов (Н.М. Сисакян).

Увеличение водного дефицита свыше 15—20% приводит к уже заметному сни­жению интенсивности фотосинтеза. Это связано в первую очередь с закрытием устьиц (гидроактивные движения), что резко уменьшает диффузию СО₂ в лист. Кроме того, это вызывает сокращение транспирации, и, как следствие, возрас­тает температура листьев. Между тем повышение температуры выше 30°С вы­зывает снижение фотосинтеза. Наконец, обезвоживание оказывает влияние на конформацию, а следовательно, и активность ферментов, принимающих участие в темновой фазе фотосинтеза, повреждает структуру тилакоидов. При обезво­живании также замедляется процесс фотофосфорилирования (И.А. Тарчевский). Длительное обезвоживание растений может привести к тому, что интенсивность фотосинтеза не восстанавливается после улучшения снабжения водой.

3.5 Снабжение кислородом и интенсивность фотосинтеза

Несмотря на то, что кислород является одним из продуктов процесса фотосин­теза, в условиях полного анаэробиоза процесс фотосинтеза останавливается. Можно полагать, что влияние анаэробиоза косвенное, связано с торможением процесса дыхания и накоплением продуктов неполного окисления, в частности органических кислот, в связи с чем резко снижается значение рН. Это предпо­ложение подтверждается тем, что вредное влияние анаэробиоза сказывается бо­лее резко в кислой среде. Повышение концентрации кислорода (до 25%) также тормозит фотосинтез (эффект Варбурга).

Тормозящее влияние высоких концентраций кислорода на фотосинтез про­является особенно резко при повышенной интенсивности света. Эти наблюдения заставили обратить внимание на особенности процесса дыхания в присутствии света. В осуществлении этого процесса принимают участие не только хлоропласты и митохондрии, но и особые органеллы — пероксисомы.

Как уже упоминалось, РБФ-карбоксилаза/оксигеназа может присоединить к РБФ не только СО₂, но и О₂. При естественной концентрации газов в атмо­сфере доля фотодыхания составляет 25—30%, поскольку способность связывать СО₂ у фермента выше по сравнению с кислородом. При уменьшении концент­рации СО₂ и увеличении О₂ доля фотодыхания возрастает. При отсутствии СО₂ фотодыхание превышает фотосинтез. Химизм этого процесса отличен от обычно­го темнового дыхания. В результате присоединения кислорода РБФ распадается на одну молекулу ФГК и одну молекулу фосфогликолевой кислоты (фосфогликолат). Фосфогликолевая кислота путем дефосфорилирования превращается в гликолевую кислоту (гликолат). Образование гликолевой кислоты происходит в хлоропластах, однако она там не накапливается, а транспортируется в перок-сисомы (рисунок 3). В пероксисомах происходит превращение гликолевой кислоты

Рисунок 3 - Фотодыхание и метаболизм гликолевой кислоты

в глиоксилевую кислоту (глиоксилат). Образующаяся при этом перекись водо­рода расщепляется содержащейся в пероксисомах каталазой. Глиоксилевая кислота, в свою очередь, подвергается аминированию с образованием амино­кислоты глицина. Глицин поступает в третий тип органелл — митохондрии, где 2 молекулы глицина образуют молекулу аминокислоты — серина и при этом вы­деляется СО₂:

Не всегда гликолатный путь завершается в митохондриях. В некоторых случаях может замыкаться цикл. При этом серии поступает в пероксисому, где дезаминируется (отщепляется аминогруппа) с образованием гидроксипирови-ноградной кислоты (гидроксипируват). Гидроксипируват восстанавливается до глицерата, который в хлоропластах фосфорилируется с образованием 3-ФГК. Фосфоглицериновая кислота включается в цикл Кальвина.

Важно заметить, что при фотодыхании накопления энергии в АТФ не проис­ходит. Выделение СО₂ при фотодыхании С₃-растений может достигать 50% от всего СО₂, усвоенного в процессе фотосинтеза. Это особенно проявляется в ус­ловиях повышенного содержания О₂, так как О₂ и СО₂ конкурируют за присое­динение к РБФ. В связи с этим уменьшение интенсивности фотодыхания долж­но привести к повышению продуктивности растений. Так, мутантные формы табака, не обладающие способностью к образованию гликолевой кислоты, отли­чаются повышенным накоплением сухой массы. Имеются данные, что некоторое уменьшение содержания кислорода в атмосфере сказывается благоприятно на темпах накопления сухого вещества проростками. У кукурузы и других растений, осуществляющих фотосинтез по С₄-пути, потери на фотодыхание минималь­ны. Не исключено, что такой тип обмена способствует большей продуктивно­сти этих растений. Вместе с тем нельзя исключить, что процесс фотодыхания имеет определенное биологическое значение, в частности он способствует об­разованию аминокислот.

В настоящее время роль фотодыхания активно обсуждается. Существует мне­ние, что осуществление фотодыхания позволяет предотвратить деструкцию фо­тосинтетического аппарата, которая может происходить в отсутствие углекислого газа при невостребованности продуктов световой фазы. Реакции превращения гликолата позволяют обойти реакцию карбоксил ирования в цикле Кальвина, при этом цикл может функционировать без поглощения СО₂. Кроме того, фо­тодыхание усиливается, когда образуется много углеводных продуктов фотосин­теза, а их экспорт из листа к потребляющим органам затруднен. В этих условиях образуются аминокислоты, которые расходуются на'синтетические процессы. Существует и такое мнение, что фотодыхание является формой приспособле­ния растений к современному содержанию СО₂ и О₂ в атмосфере. Дело в том, что концентрация О₂ превышает потребности растений для обеспечения темно-вого дыхания. Поэтому использование кислорода в процессе фотодыхания за­щищает растения от тормозящего влияния О₂ на физиологические процессы клетки и целостность органелл.

3.6 Влияние минерального питания

Естественно, что исключение любого элемента минерального питания скажет­ся на интенсивности фотосинтеза. Однако ряд элементов играет важную специ­фическую роль. Очень велико значение фосфорадля фотосинтеза. На всех этапах фотосинтеза принимают участие фосфорилированные соединения. Энергия све­та аккумулируется в фосфорных связях. При дефиците фосфора нарушаются фо­тохимические и темновые реакции фотосинтеза. Процессы фотофосфори-лирования требуют также обязательного присутствия магния.Имеются данные, что при недостатке калияинтенсивность фотосинтеза снижается уже через короткие промежутки времени. Калий может влиять на фотосинтез косвенно, через повышение оводненности цитоплазмы, ускорение оттока ассимилятов из листьев, увеличение степени открытия устьиц. Имеет место и прямое влияние калия, поскольку он активирует процессы фосфорилирования. При изучении фотосинтеза штамма хлореллы, который может расти как в темноте за счет готового органического вещества, так и на свету, было показано, что марга­нецнеобходим только в последнем случае. Отсутствие марганца резко уг­нетает реакцию Хилла и процесс нециклического фотофосфорилирования. Все это доказывает, что роль марганца определяется его участием в реакциях фотоокисления воды. Имеются данные, показывающие необходимость хлорадля фоторазложения воды. В процессе фотосинтеза участвуют многочисленные белки-ферменты. В этой связи понятно большое значение уровня азотного пи­тания.Показано, что внесение азотных удобрений вызывает повышение фото­синтетической деятельности растений. Многие соединения, функционирующие как переносчики, содержат железо(цитохромы, ферредоксин) или медь(пла-стоцианин). Естественно, что при недостатке этих элементов интенсивность фо­тосинтеза понижается.

ФОТОСИНТЕЗ (12 часов)