28. Фотодыхание и метаболизм гликолевой кислоты; с4-путь фотосинтеза, его особенности и характеристика, метаболизм углерода по типу толстянковых (сам-цикл), их экологическая роль.

Фотоды­хание − активируемый светом процесс высвобождения СО₂ и поглощения О₂ (отличается от «темнового» дыхания митохондрий). Так как при этом пер­вичным продуктом является гликолевая кислота, то этот путь получил название гликолатного. У С₃-растений с малой эффективностью фотосинтеза интенсивность фотодыха­ния может достигать 50% от интенсивности фотосинтеза.

Фотодыхание у С₃-растений усиливается при низком содержании СО₂ и высоких концентрациях О₂. В этих условиях РДФ-карбоксилаза (рибулозодифосфат карбоксилаза) в хлоропластах может функциони­ровать как оксигеназа, катализируя окислительное расщепление рибулозо-1,5-дифосфата на 3-ФГК и 2-фосфогликолевую кислоту, которая затем дефосфорилируется в гликолевую кислоту. Молекулы СО₂ и О₂ конкурируют между собой в каталитическом центре РДФ-карбоксилазы: при относитель­но высоких концентрациях СО₂ и низких О₂ преобладает карбоксилирование, а высокие концентрации О₂ и низкое содержание СО₂ благоприятствуют окислению и образованию фосфогликолевой кислоты. В том же направлении действует и повышение температуры.

Фотодыхание осуществляется в результате взаимодействия хлоропластов, пероксисом и митохондрий. Гликолат из хлоропласта поступает в пероксисому и там окисляется гликолатоксидазой до глиоксилата. Воз­никающая перекись водорода устраняется каталазой пероксисомы. Глиоксилат аминируется, превращаясь в глицин, причем в качестве донора аминогруппы функционирует глутамат.

Глицин транспортируется в митохондрию. Здесь из двух молекул глицина образуется серии и освобождается СО₂. Теперь цикл замыкается: серии может снова поступать в пероксисому и там передать свою аминогруппу на пируват. При этом из пирувата возникает аланин, из серина — гидрокси-пируват, который сразу после этого восстанавливается в глицерат. Затем глицерат может снова попасть в хлоропласты и благодаря фосфорилированию включиться в цикл Кальвина.

Последовательность реакций фотодыхания не обязательно образует цикл. Гликолатный путь С₃-растений может завер­шиться в митохондриях. Конечными продуктами в этом случае являются серин и СО₂. Освобождение СО₂ объясняет, почему нетто-фотосинтез (чистая продуктивность) при интенсив­ном фотодыхании снижается.

У С₄-растений СО₂, выделяющийся в результате фото­дыхания, перехватывается в клетках мезофилла, где из ФЕП и СО₂ образуются оксалоацетат и малат. Затем малат «отдает» свой СО₂ хлоропластам обкладки, где функциони­рует цикл Кальвина. В связи с этим становится понятным высокий нетто-фотосинтез С₄-растений.

Физиологическое значение фотодыхания: гликолатный путь приводит к синтезу глицина и серина, в пероксисомах происходит восстановление NADP⁺; в процессе образо­вания серина может генерироваться АТР. Показано, что С₃-растения, помещенные в атмосферу с низким парциальным давлением О₂ и высокой концентрацией СО₂, ведут себя подобно С₄-растениям, т. е. имеют низкий уровень фото­дыхания.

Вывод: термин «фотодыхание» имеет лишь формальный смысл (О₂ потреб­ляется, СО₂ выделяется), но к дыханию этот процесс прямого отношения не имеет.

Цикл Хетча-Слэка-Карпилова (С₄-путь)

Работы Л. А. Незговоровой (1956-1957). Ю. С. Карпилова (1960, 1963), И. А. Тарчевского (1963), Г. П. Корчака (1965) привели к открытию С₄-пути углерода в фотосинтезе. С₄-путь ассимиляции СО₂ впервые описали австралийские ученые М.Д.Хетч и К.Р.Слэк (1966). Специфическая особенность С₄-растений (кукуруза, сахарный тростник, ряд злаковых трав, сорго, просо и др.) состоит в том, что первичным стабильным продуктом фотосинтеза, образующимся в результате ассимиляции СО₂, является не ФГК, а яблочная и аспарагиновая кислоты. Затем эти соединения через 3-ФГК и гексозофосфаты превращаются в сахара.

Листья С₄-растений содержат два разных типа хлоропластов: хлоропласты обычного вида − в клетках мезофилла и большое количество крупных хлоропластов, часто без гран, − в клетках, окружающих проводящие пучки (обкладка). СО₂, диффундирующий в лист через устьица, попадает в цитоплазму клеток мезофилла, где при участии ФЕП-карбоксилазы вступает в реакцию с ФЕП, образуя щавелево-уксусную кислоту (оксалоацетат, ЩУК). Затем в хлоропластах ЩУК восстанавливается до яблочной кислоты (малата) за счет NADPH, образующего в ходе световой фазы фотосинтеза. ЩУК в присут­ствии NH₄⁺ может превращаться также в аспартат. Затем малат (или аспартат) переносится в хлоропласты клетки обклад­ки сосудистого пучка, где он декарбоксилируется малик-энзимом (малатдегидрогеназой декарбоксилирующей) до пирувата и СО₂.

Как уже отмечалось, в хлоропластах обкладки отсутствуют граны, а следовательно, слабо представлена ФС II, необходимая для нециклического транспорта электронов, однако в них в изобилии накапливается крахмал. Объясняется это тем, что в хлоропластах обкладки используется поставляемый малик-энзимом NADPH, а также тот СО₂, который образовался при окислительном декарбоксилировании малата (или аспартата). В этих хлоропластах в процессе циклического фото-фосфорилирования синтезируется большое количество АТР и фиксация СО₂ осуществляется по типу цикла Кальвина. У некоторых растений с С₄-путем фотосинтеза (амарант, лебеда) яблочная кислота декарбоксилируется в митохондриях клеток обкладки с восстановлением NAD.

Экологическая роль С₄-пути. 1) Возникающий при расщеплении малата в хлоропластах клеток обкладки пируват перемещается назад в хлоропласты клеток мезофилла, где может снова превращаться в первичный акцептор СО₂ - ФЕП. Такая компартментация (пространственная разобщенность) процессов позволяет растениям с С₄-путем осуществлять фотосинтез даже при закрытых устьицах, так как хлоропласты клеток обкладки используют малат (аспартат), образовавшийся ранее, как донор СО₂. 2) С₄-растения могут также исполь­зовать СО₂, возникающий при фотодыхании. 3) Закрывание устьичных отверстий в наиболее жаркое время дня сокращает потери воды за счет испарения (транспирации) − к С₄-растениям относятся многие виды засушливой тропической зоны. 4) Растения с С₄-путем фотосинтеза, как правило, устойчивы к засолению. Эффективность использования воды, т. е. отношение массы ассимилированного СО₂ к массе воды, израсходованной при транспирации, у С₄-растений зачастую вдвое выше, чем у С₃-растений.

САМ-типы метаболизма (по типу толстянковых). (См. схему)

Для суккулентов (роды Crassula, Bryophyilum и др.) характерен суточный цикл мета­болизма С₄-кислот с образованием яблочной кислоты ночью. От английского выражения crassulacean acid metabolism этот тип фотосинтеза сокращенно называют СAM-метаболизм. Устьица этих растений днем обыч­но закрыты, что предотвращает потерю воды, и откры­ваются ночью. СО₂ поступает в листья, где при участии содержащейся в цитоплазме ФЕП-карбоксилазы взаимодей­ствует с фосфоенолпируватом, образуя оксалоацетат. Источни­ком ФЕП служит крахмал. То же самое происходит и с СО₂, который освобождается в клетках в процессе дыхания. Образовавшийся оксалоацетат восстанавливается под действием NADH-зависимой малатдегидрогеназы до яблочной кислоты, которая накапливается в вакуолях клеток листа. Это приводит к закислению клеточного сока в ночное время. Как и у С₄-растений, оксалоацетат может быть источником аспартата, однако этот путь здесь менее выражен.

Днем в условиях высокой температуры, когда устьица закрыты, малат транспортируется из вакуолей в цитоплазму и там декарбоксилируется при участии малатдегидрогеназы декарбоксилирующей (малик-энзима) с образованием СО₂ и пирувата. 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. При достаточном количестве воды ряд растений с метаболизмом по типу толстянковых могут вести себя как С₃-растения. В свою очередь некоторые растения с С₃-путем фото­синтеза при недостатке воды проявляют черты САМ-метаболизма.