Окисление воды и образование кислорода происходит в ФС II.

При возбуждении Р₆₈₀ электрон передается на феофитин, а оттуда – на пластохиноны. Дефицит электрона в Хл-а⁺*, образовавшийся в процессе электронного транспорта, компенсируется за счет электронов, полученных при окислении волы. Катионы марганца и остатки тирозина участвуют в транспорте электронов от воды к хлорофиллу. Радикал Хл-а⁺* является настолько сильным окислителем, что он способен отнять электрон у остатка тирозина в составе белка реакционного центра; при этом образуется радикал тирозина. Обычно тирозин, участвующий в этой реакции, обозначают как Z. Дефицит электрона в радикале тирозина компенсируется за счет окисления ионов марганца. Комплекс ФС II содержит четыре иона марганца, расположенных близко друг к другу. Эта группа ионов марганца получила название марганцевого кластера. Чтобы образовать в процессе окисления воды одну молекулу O₂, реакционный центр должен передать четыре электрона. Марганцевый кластер представляет собой редокс-систему, которая может отдавать последовательно четыре электрона акцептору и затем отбирать их у донора. При этом ионы Мn, очевидно, могут находиться в состояниях Мn³⁺ и Мn⁴⁺.

Образно говоря, четыре электрона, необходимые реакционному центру, берутся «взаймы» у Mn-кластера и затем разом возвращаются к ионам марганца при окислении воды до кислорода. Протоны, высвобождающиеся при фотоокислении воды, поступают в люмен тилакоидов.

 

2 Ф ОТОСИНТЕТИЧЕСКОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

Фотохимические процессы в реакционных центрах ФСI и ФСII приводят к быстрому первичному запасанию энергии квантов света в форме лабильных соединений с высоким энергетическим потенциалом. Дальнейшие реакции фотосинтеза направлены на преобразование энергии света в более стабильную форму: сначала в форму восстановленного НАДФН и АТФ, а затем, при использовании этих продуктов в реакциях углеродных циклов, – в форму углеводов и других стабильных органических соединений.

Световые реакции фотосинтеза сопровождаются реакциями образования АТФ. Любой механизм образования АТФ носит название фосфорилирования. В случае фотосинтеза говорят о фотофосфорилировании, подчеркивая, что АТФ образуется за счет трансформации энергии света.

Образование восстановленного НАДФН и АТФ в хлоропластах связано с работой электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) фотосинтеза. В зависимости от характера транспорта электронов различают циклическое и нециклическое фотофосфорилирование. Сначала энергия квантов света преобразуется в энергию мембранного электрохимического потенциала, образованного за счет неравномерного распределения протонов на внешней и внутренней сторонах фотосинтетической мембраны, а затем в ходе работы АТФ-синтетазы превращается в химическую – АТФ.

Для восстановления одной молекулы NADP⁺ в процессе фотосинте­за необходимы два электрона и два протона, причем донором электронов является вода. Фотоиндуцированное окисление воды осуществляет ФС II, восстановление NADP⁺ – фотосистема I. Следовательно, эти две фотосистемы должны функционировать во взаимодействии.

Исходя из данных о квантовом выходе фотосинтеза (необходимы 8 квантов света для выделения одной молекулы О₂) из состава компонентов, входящих в ФС I и ФС II, и величин их окислительно-восстановительного потенциала была разработана схема последовательности реакций в световой фазе фотосинтеза. Из-за сходства с буквой Z эта схема получила название Z-схемы.

В ФС II димер П₆₈₀, поглотив энергию, эквивалентную 2 квантам коротковолнового красного света, и перейдя в синглетное возбужденное состояние, отдает 2 электрона феофетину (Фф). От Фф электроны, теряя энергию, последовательно передаются на пластохиноны ФС II – Q_A и Q_B,, далее на пул липидорастворимых молекул пластохинона (PQ), переносящих через липидную фазу мембраны электроны и протоны, на железосерный белок FeS_R и цитохром f цитохромного комплекса b₆– f, восстанавливая Cu-содержащий белок пластоцианин (Пц).

Вакантные места («дырки») в П₆₈₀ заполняются двумя электронами из содержащего Мn-кластер переносчика электронов Z, который в свою очередь восстанавливается за счет фотоокісленія воды.

Однако описанная цепь реакций резко замедляется, если не возбуждена ФС I, так как в этом случае весь Пц переходит в восстановленное состояние. При возбуждении П₇₀₀ в реакционном центре ФС I энергией, эквивалентной 2 квантам длинноволнового красного света, 2 электрона захваты­ваются мономерной формой хлорофилла a (A₁) и затем последовательно передаются переносчикам электронов А₂ и Ав (железосерные белки FeS), ферредоксину (водорастворимый FeS-белок) и ферредоксин:NADP-оксидоредуктазе с FAD в качестве кофактора. Наконец, редуктаза восстанавливает NADP ⁺.

На вакантные места в П⁺₇₀₀ переходят электроны с Пц, и нециклическая цепь переноса электронов таким образом замыкается.

Энергия, освобождающаяся при движении электронов от П₆₈₀ до П₇₀₀, используется для синтеза АТФ из AДФ и неорганического фосфата (фотофосфорилирование).

Таким образом, нециклический транспорт электронов сопровождается выделением кислорода и восстановлением НАДФ⁺ и сопряжен с синтезом АТФ (нециклическое фотофосфорилирование).

Циклический транспорт электронов осуществляется отдельно в ФС I или ФСII.

Циклический транспорт в ФС I включает перенос электронов от восстановленого ферредоксина(Фд_вост.) обратно к окисленному П⁺₇₀₀. В этом случае возбужденные молекулы П₇₀₀ последовательно отдают электроны на А₁, А₂, А_В, Фд, PQ, цитохром b₆, FeS_R, цито­хром f, Пц и, наконец, П₇₀₀. При этом NADP⁺ не восста­навливается. Освобождающаяся энергия используется для фосфорилирования ADP.

Циклический поток электронов с участием ФСI сопряжен с с синтезом АТФ (циклическое фотофосфорилирование) и может обеспечивать дополнительный синтез АТФ, необходимый для ассимиляции углерода. Он может быть альтернативным путем использования энергии света при его высоких интенсивностях.

Циклический транспорт электронов в ФС II связан с обратным переносом электронов от восстановленных первичных хинонов Q_A и Q_B к окисленному пигменту П⁺₆₈₀. При этом участвуют цитохром b₅₅₉, β -каротин и сопровождающие молекулы хлорофилла а РЦ ФСII.

Является альтернативным путем использования энергии света. Он активируется в условиях, когда интенсивность света превышает возможности ЭТЦ утилизировать его энергию или при повреждении водоокисляющей системы хлоропластов.

Итак, основные этапы преобразования энергии, приводящие к образованию АТФ и НАДФ•Н, включают в себя следующие процессы:

1) поглощение энергии света пигментами светособирающей антенны;

2) перенос энергии возбуждения к фотореакционному центру;

3) окисление фотореакционного центра и стабилизация разделенных зарядов;

4) перенос электрона по цепи электронного транспорта, образование НАДФ•Н;

5) трансмембранный перенос ионов водорода;

6) синтез АТФ.

 

 

3 Пути фиксации со₂ при фотосинтезе

В результате фотохимических реакции в хлоропластах создается необходимый уровень АТР и NADPH. Эти конечные продукты световой фазы фотосинтеза стоят на входе в темновую фазу, где СО₂ восстанавливается до углевода:

Сами по себе АТР и NADPH не в состоянии восстановить СО₂. Очевидно, и темновая фаза фотосинтеза - сложный процесс, включающий большое количество реакций. Кроме того, существуют различные пути восстановления СО₂. В настоящее время известны так называемые С₃-путь и С₄-путь фиксации СО₂, фотосинтез по типу толстянковых (САМ-метаболизм) и фотодыхание.

С₃-путь. Этот способ ассимиляции СО₂, присущий всем растениям, в 1946-1956 гг. был расшифрован американским биохимиком М. Кальвином и его сотрудниками, в силу чего он получил название цикла Кальвина. Этот цикл, весьма напоминающий обращенный пентозофосфатный путь дыхания, состоит из трех этапов: карбоксилирования, восстановления и регенерации.

1. Карбоксилирование. Молекулы рибулозо-5-фосфата фосфорилируются с участием АТР и фосфорибулозокиназы, в результате чего образуются молекулы рибулозо-1,5-дифосфата, к которым в свою очередь присоединяется СО₂ с помощью рибулозодифосфаткарбоксилазы. Полученный продукт расщепляется на две триозы: 2 молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК).

2. Фаза восстановления. 3-ФГК восстанавливается до 3-фосфоглицеринового альдегида (3-ФГА) в два этапа. Сначала происходит фосфорилирование 3-ФГК при участии АТР и фосфоглицераткиназы до 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, а затем восстановление 1,3-ФГК с помощью NADPH и дегидрогеназы фосфоглицеринового альдегида.

3. Фаза регенерации первичного акцептора диоксида углерода и синтеза конечного продукта фотосинтеза. В результате описанных выше реакций при фиксации трех молекул СО₂ и образовании шести молекул восстановленных 3-фосфотриоз пять из них используются затем для регенерации рибулозо- 5-фосфата, а один - для синтеза глюкозы. 3-ФГА под действием триозофосфатизомеразы изомеризуется в фосфодиоксиацетон. При участии альдолазы 3-ФГА и фосфодиоксиацетон конденсируются с образованием фруктозе-1,6-дифосфата, у которого отщепляется один фосфат с помощью фруктозе-1,6- дифосфатазы. В дальнейших реакциях, связанных с регенерацией первичного акцептора СО₂, последовательно принимают участие транскетолаза и альдолаза. Транскетолаза катализирует перенос содержащего два углерода гликолевого альдегида от кетозы на альдозу.

Альдолаза затем осуществляет перенос трехуглеродного остатка фосфодиоксиацетона на альдозу, в данном случае на эритрозо-4-фосфат, в результате чего синтезируется седогептулозо-1,7-дифосфат. Последний дефосфорилируется и под действием транскетолазы из него и 3-ФГА образуются ксилулозо-5-фосфат и рибозо-5-фосфат. Две молекулы ксилулозо-5-фосфата при участии рибулозофосфатэпимеразы и одна молекула рибозо-5-фосфата с участием рибозофосфатизомеразы превращаются в три молекулы рибулозо-5-фосфата, с которого начинается новый цикл фиксации СО₂.

Из оставшейся неиспользованной 6-й молекулы 3-ФГА под действием альдолазы синтезируется (при повторении цикла) молекула фруктозе-1,6-дифосфата, из которой могут образовываться глюкоза, сахароза или крахмал:

Таким образом, для синтеза одной молекулы глюкозы в цикле Кальвина необходимы 12 NADPH и 18 АТР, которые поставляются в результате фотохимических реакций фотосинтеза.

С₄-путь. С₃-цикл – основной, но не единственный путь восстановления двуокиси углерода. Так, австралийские ученые М.Д. Хетч и К.Р. Слэк в 1967 г. обнаружили, что у кукурузы, сахарного тростника, сорго и некоторых других тропических растений первичным продуктом темновой фазы является не ФГК, а ЩУК. Кроме того, было обнаружено, что эти растения имеют не только гранальные, но и агранальные хлоропласта. Первые расположены в основных клетках мезофилла, а вторые – в паренхимных клетках, окружающих одним слоем каждый проводящий пучок. Этот слой клеток был назван обкладкой проводящего пучка.

В результате дальнейших исследований был открыт еще один цикл фотосинтеза, названный циклом Хетча – Слэка, или С₄-циклом. Последнее название связано с тем, что ЩУК содержит в своей молекуле 4 атома углерода.

Акцептором углекислого газа в этом цикле является фосфоенолпируват (ФЕП). В результате карбоксилирования ФЕП образуется ЩУК и ортофосфат.

К С₄-растениям относится ряд культурных растений преиму­щественно тропического и субтропического происхождения - кукуруза, просо, сорго, сахарный тростник и многие злостные сорняки - свинорой, сыть округлая, ежовник крестьянский, просо куриное, просо крупное, гумай (сорго алепское), щирица, щетинник и др. Как правило, это высокопродуктивные растения, устойчиво осуществляющие фотосинтез при значительных по­вышениях температуры и в засушливых условиях.

С₄-цикл можно разде­лить на две стадии: карбоксилирование, происходящее в клетках мезофилла, и декарбоксилирование и синтез углеводов, идущие в клетках обкладки проводящих пучков. Общим для всех С₄-расте­ний является то, что карбоксилированию подвергается ФЕП при участии ФЕП-карбоксилазы и образуется ЩУК, которая восстанавливается до яблочной кислоты или аминируется с образованием аспарагиновой кислоты.

Щавелевоуксусная, яблочная и аспарагиновая кислоты являются четырехуглеродными соединениями.

По способу декарбоксилирования при участии НАДФ-Н или НАД-малатдегидрогеназы (МДГ) или ФЕП-карбоксикиназы (ФЕП-КК) у С₄-растений можно выделить три группы: НАДФ-МДГ, НАД-МДГ и ФЕП-КК-типы соответственно.

У НАДФ-МДГ-растений глав­ными метаболитами, вовлечен­ными в обмен между клетками, являются малат и пируват (ПВК), у НАД-МДГ-растений - аспартат и аланин и у ФЕП-КК-растений - аспартат и ФЕП. Важ­нейшие сельскохозяйственные культуры - кукуруза, сорго, са­харный тростник и такие распространенные сорняки, как сыть, ежовник, щетинник, гумай, относятся к НАДФ-МДГ-типу.

Рассмотрим С₄-цикл восстановления СО₂ на примере этих растений. СО₂, поступающий в лист через устьица, попадает в цитоплазму клеток мезофилла, где при участии ФЕП-карбоксилазы вступает в реакцию с ФЕП, образуя ЩУК. Затем уже в хлоропластах ЩУК восстанавливается до яблочной кислоты (малата) за счет НАДФ-Н, образующегося в ходе световой фазы фотосинтеза; ЩУК в присутствии NH₄ может превращаться также в аспартат.

Затем малат переносится в хлоропласты клеток обкладки со­судистого пучка, где он подвергается окислительному декарбоксилированию, продуктом которого является пировиноградная кислота (ПВК). Последняя снова диффундирует в мезофилл, где при участии АТФ, образованной в световой фазе, происходит регенерация ФЕП, после чего цикл карбоксилирования повторя­ется с участием новой молекулы СО₂.

Образовавшиеся в резуль­тате окислительного декарбоксилирования малата СО₂ и НАДФ-Н поступают в цикл Кальвина, что приводит к образова­нию ФГК и других продуктов, свойственных С₃-растениям. Сле­довательно, именно клетки обкладки выполняют роль основной ассимилирующей ткани, поставляющей сахара в проводящую систему. Клетки мезофилла выполняют вспомогательную функ­цию – подкачку СО₂ для цикла Кальвина.

Таким образом, С₄-путь обеспечивает более полное усвоение СО₂, что особенно важно для тропических растений, где основным лимитирующим фактором фотосинтеза является концентрация СО₂. Эффективность усвоения СО₂ С₄-растениями увеличивается также за счет подачи НАДФ-Н в хлоропласты клеток обкладки. Эти хлороплас­ты имеют агранальное строение и специализируются на темновой фазе фотосинтеза, здесь практически не происходит нецик­лическое фотофосфорилирование. На один агранальный хлоро­пласт в среднем приходится 8-10 гранальных хлоропластов, осуществляющих первичную фиксацию СО₂ и нециклическое фотофосфорилирование. Такая компартментация процессов и кооперация функционирования тканей обеспечивают повышение продуктивности растений и позволяют накапливать СО₂ в орга­нических кислотах для осуществления фотосинтеза даже при закрытых устьицах в наиболее жаркое время дня. Это сокращает потери воды на транспирацию. Эффективность использования воды С₄-растениями вдвое выше, чем у С₃-растений.

САМ-фотосинтез. В сухих местах существуют растения-суккуленты, у которых устьица открыты ночью и закрыты днем для уменьшения транспирации. Поэтому эти растения поглощают углекислый газ ночью. Поглощаемый СО₂ используется, как и у С₄-растений, для карбоксилирования ФЕП. ФЕП образуется ночью из крахмала в результате его гидролиза и включения образовавшегося глюкозо-6-фосфата в гликолиз. Катализирует реакцию карбоксилирования ФЕП-карбоксилаза. В результате образуется ЩУК и ортофосфат.

Образовавшаяся ЩУК восстанавливается под действием NADH-зависимой малатдегидрогеназы до яблочной кислоты, которая накапливается в вакуолях клеток листа. Это приводит к закислению клеточного сока в ночное время. Днем в условиях высокой температуры, когда устьица закрыты, малат транспортируется из вакуолей в цитоплазму и там декарбоксилируется при участии декарбоксилирующей малатдегидрогеназы с образованием СО₂ и ПВК. СО₂ поступает в хлоропласты и включается в них в цикл Кальвина, участвуя в синтезе сахаров.

Таким образом, у растений с фотосинтезом по типу толстянковых много общего с С₄-путем фотосинтеза. Однако при САМ-метаболизме фиксация СО₂ с образованием малата (ночью) и декарбоксилирование малата с высвобождением СО₂ и пирувата (днем) разделены во времени. У С₄-растений эти же реакции разграничены в пространстве: первая протекает в хлоропластах мезофилла, вторая — в клетках обкладки.

 

Фотодыхание

Если освещать растение ярким светом, а затем быстро поместить в темноту, то в первые минуты на­блюдается усиление поглощения листьями кислорода и выделение углекислоты. Это светоактивируемое выделение СО₂ и поглощение О₂ листьями получило название фотодыхания. Оно характерно для растений С₃- типа фиксации углекислоты и внешне не обнару­живается у растений с С₄-типом.

Если учитывать фотодыхание, то на свету в листь­ях С₃-растений одновременно идут три различных процесса: фотосинтез; митохондриальное (темновое) дыхание; фотодыхание. В связи с этим для получения истинных значений фотосинтеза необходимо принимать во внимание не только темновое дыхание, но и фотодыхание.

Фотодыхание обнаружено и у древесных растений. Этот процесс наблюдался у разных видов сосны, ели, лиственницы, пихты, различных видов и клонов топо­ля, тюльпанного дерева и других представителей дре­весного мира.

Фотодыхание осуществляется в особых микротель­цах - пероксисомах, имеющих плотную гранулярную строму, окруженную простой мембраной. В них сосре­доточены гликолатоксидаза, каталаза, глютамат- и гли­оксилаттрансаминаза и другие ферменты, катализиру­ющие превращения веществ в процессе фотодыхания. В ходе этого процесса развертывается довольно слож­ная картина различных превращений гликолевой кис­лоты, одного из промежуточных про­дуктов фотосинтеза.

В присутствии кислорода на свету РДФ-карбокси­лаза присоединяет к РДФ не СО₂, а О₂. Присоединив кислород, РДФ распадается на одну молекулу ФГК и одну молекулу фосфогликолевой кис­ лоты, которая, отщепляя остаток фосфорной кислоты, превращается в гликолевую и из хлоропластов перехо­дит в пероксисомы. Здесь гликолевая кислота окисляется в глиоксилевую с образованием пероксида. Образующаяся перекись водорода распадается на воду и свободный кислород. Глиоксилевая кислота, реагируя с глутаминовой кислотой, трансаминируется в глицин, который покида­ет пероксисомы и в митохондриях превращается в дру­гую аминокислоту - серин: из двух молекул глицина образуется одна молекула серина и выделяется одна молекула СО₂. Вследствие этого часть зафиксированно­го в фотосинтезе углерода теряется растением.

Фотодыхание теснейшим образом связано не толь­ко с отдельными звеньями фотосинтеза, но и с темно­вым дыханием.

Не у всех растений фотодыхание в равной степени происходит интенсивно. У сои оно идет с большей скоростью, а у сахарного тростника его долгое время не могли выявить. Вообще, у С₃-растений наблюдается более интенсивное фотодыхание, чем в С₄-растениях.

Интенсивное фотодыхание может снизить продуктивность С₃-растений на 30 %, так как при фотодыхании происходит не поглощение СО₂, а его потери. Из каждых 10 молекул рибулозо-1,5-дифосфата, образовавшихся в С₃-цикле и включившихся в фотодыхание, одна разрушается.

В связи с этим важной задачей для физиологов и селекционеров растений считается выведение сортов растений, у которых в максимальной степени проявляется карбоксилазная и подавлена оксигеназная реакция и, таким образом, подавлено фотодыхание.

Низкую интенсивность фотодыхания в С₄-растениях объясняют тем, что в них высокая концентрация СО₂ в клетках-обкладках. В этих растениях РДФ-карбоксилаза находится только в клетках-обкладках, где и происходит процесс. Некоторые исследователи считают, что в С₄-растениях фотодыхание подавлено
из-за недостатка О₂ в клетках-обкладках. В этих клетках не идет фотолиз воды, так как они не имеют ФС II, а поступление атмосферного кислорода затруднено, потому что эти клетки расположены в глубине листовой пластинки и между ними почти нет межклетников.

В настоящее время фотодыхание рассматривают как одну из необходимых функций зеленого растения. Во-первых, фотодыхание, как и С₃-цикл, CAM-цикл и другие процессы, является источником метаболитов для разных синтезов. Во-вторых, практически доказано, что при образовании серина и глицина восстанавливается митохондриальная НАД⁺. В-третьих, выявлена связь фотодыхания с ассимиляцией азота. И, наконец, появилась теория, в соответствии с которой излишки продуктов цикла Кальвина служат сигналом, который увеличивает фотосинтез. Таким образом, соотношение фотосинтеза и фотодыхания выполняет регуляторную роль в растениях.

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: