Метаболизм углерода при фотосинтезе

Фиксация углерода углекислого газа и восстановление его до уровня орга­нических соединений — заключительный этап фотосинтеза. Реакции ассими­ляции углерода получили название темновых реакций фотосинтеза. Однако в настоящее время установлено, что для их прохождения необходим свет, по­этому заключительный этап фотосинтеза принято сейчас называть метаболиз-том углерода при фотосинтезе, или углеродными циклами фотосинтеза. При ассимиляции углерода используются продукты световой стадии фотосинтеза — АТФ и НАДФН.

Фиксация углекислого газа из атмосферы и включение его в органические соединения у разных групп растений может происходить по-разному. В соответ­ствии с механизмом первичных реакций фиксации углекислого газа и приро­дой образующихся при этом первых стабильных продуктов различают: С₃-путь фотосинтеза, С₄-путь фотосинтеза и фотосинтез по типу толстянковых — САМ-фотосинтез (от crassulacea acid metabolism). Восстановление углерода уг­лекислого газа до уровня углеводов практически у всех фотосинтезирующих организмов происходит по единому пути, называемому восстановительным пен-тозофосфатным циклом (ВПФ-цикл). ВПФ-цикл — основной путь ассимиля­ции углерода в растениях.

3.8.1. С₃-ПУТЬ ФОТОСИНТЕЗА (ЦИКЛ КАЛЬВИНА, ВПФ-ЦИКЛ)

С₃-путь фотосинтеза был открыт в лаборатории М.Кальвина (1946—1956) при изучении фотосинтеза у одноклеточных зеленых водорослей с использо­ванием меченого углерода и фосфора. Анализ динамики включения метки в органические соединения показал, что первыми органическими соединения­ми, содержащими меченый углерод, являются трехуглеродные соединения — 3-фосфоглицериновая кислота (3-ФГК) и 3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА) (отсюда название «С₃-путь фотосинтеза»). Позже метка обнаружива­ется в углеводах, содержащих от 4 до 7 атомов углерода. М.Кальвину с сотр. удалось установить последовательность превращения углеводов в хлоропластах. На основании этого был открыт восстановительный пентозофосфатный цикл углерода, названный в честь исследователей циклом Кальвина.

Химизм цикла Кальвина. Выделяют три стадии ассимиляции углерода в цик­ле Кальвина: карбоксилирование, восстановление и регенерацию (рис. 3.40). Все ферменты, осуществляющие фиксацию углерода углекислого газа и его вос­становление до Сахаров в цикле Кальвина, находятся в строме хлоропластов.

1. Стадия карбоксилирования. Молекулы углекислого газа воздуха присое­диняются к

5-углеродному сахару — рибулозо-1,5-бисфосфату (РуБФ). В ре­зультате карбоксилирования РуБФ образуется нестойкое 6-углеродное соеди­нение, которое распадается на 2 молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК) (рис. 3.41). Реакцию карбоксилирования осуществляет фермент рибулозобисфосфаткарбоксилаза (РуБФ-карбоксилаза). Фермент кроме карбоксилазной активности может проявлять оксигеназную активность (см. ниже), поэто­му полное название фермента — рибулозобисфосфаткарбоксилазаоксигеназа (4.1.1.39), или сокращенно Рубиско.

Рубиско высших растений и зеленых водорослей — один из наиболее высокомолекуляных белков на Земле: его молекулярная масса 560 кДа. Он со­стоит из 8 больших (L) (55 кДа) и 8 малых (S) (15 кДа) субъединиц. Большие субъединицы кодируются геном хлоропластов (rbcL), малые — ядерным геном (rbcS). Сборка белка проходит в хлоропластах с участием «белка-няньки» (бе­лок 60 кДа), который кодируется в ядре. Поэтому для сборки функционально активного фермента в хлоропластах необходима согласованная работа двух ге­номов.

Рис. 3.41. Основные функции РуБФ-карбоксилазы-оксигеназы

Каталитический центр фермента формируют аминокислотные остатки С- и N-концов полипептидов двух больших соседних субъединиц. Таким образом, функционально активной структурной единицей фермента является димер больших субъединиц. В Рубиско высших растений имеется 8 каталитических центров, сформированных 8 большими субъединицами. Малые субъединицы играют регуляторную роль, влияя на каталитическую активность больших субъ­единиц фермента.

Субстратом карбоксилазной активности фермента является СО₂. Присоеди­нение молекулы углекислого газа требует ионов Mg²⁺. Оптимум рН реакции карбоксилирования около 8,0. Оксигеназная активность Рубиско заключается в окислении РуБФ путем включения в сахар кислорода. В результате образуются 3-ФГК и фосфогликолат (см. рис. 3.41). Эта реакция лежит в основе процесса фотодыхания (см. далее), снижающего синтез углеводов при фотосинтезе.

Карбоксилазная и оксигеназная реакции связаны с работой одних и тех же каталитических центров фермента, вследствие чего существует конкуренция между кислородом и углекислым газом за каталитический центр. При обычном содержании кислорода и углекислого газа в воздухе в среднем на три реакции карбоксилирования приходится одна реакция оксигенирования. Увеличение относительного содержания углекислого газа способствует карбоксилазной активности фермента. Рубиско является ключевым ферментом цикла Кальви­на, поэтому регуляция его активности — важнейший фактор регуляции цикла Кальвина в целом (см. ниже).

2. Стадия восстановления. Восстановление 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК) до 3-фосфоглицеринового альдегида (3-ФГА) — вторая стадия цик­ла Кальвина. Она осуществляется в два этапа. На первом этапе происходит фосфорилирование 3-ФГК и образование 1,3-бисфосфоглицериновой кисло­ты. Реакцию осуществляет фермент фосфоглицерокиназа

(ЕС 2.4.2.3) при ис­пользовании АТФ. На втором этапе при участии НАДФН и фермента глице-ральдегид-3-фосфатдегидрогеназы (ЕС 1.2.1.13) идет восстановление 1,3-бис­фосфоглицериновой кислоты до 3-ФГА. В стадии восстановления достигается восстановленность углерода до уровня углеводов. 3-ФГА и его изомер дигидроксиацетонфосфат (ДГАФ), в который он легко превращается под действием фермента 3-ФГА-изомеразы (ЕС 5.3.1.1), являются первыми моносахарами, образующимися при фотосинтезе в ходе цикла Кальвина.

Молекулы 3-ФГА (или его изомера ДГАФ) могут быть использованы для регенерации РуБФ — акцептора углекислого газа и экспортированы из хлоропластов в цитоплазму. В цитоплазме автотрофной клетки из триоз синтезиру­ются гексозы (глюкоза и фруктоза) и дисахарид сахароза — главная транспортная форма углеводов в растении.

3. Стадия регенерации. На этой стадии происходит регенерация акцептора углекислого газа РуБФ. В ходе реакций образуются различные углеводы с числом углеродных атомов 4, 5, 6 и 7. Чтобы проследить весь цикл преобразования углеродных скелетов в цикле Кальвина, необходимо представить фиксацию как минимум трех молекул СО₂ с использованием трех молекул рибулозо-1,5-бисфосфата. В этом случае после стадии карбоксилирования получаются 6 молекул 3-ФГК, а после их восстановления — 6 молекул 3-ФГА. При этом используются 6 молекул АТФ и 6 молекул НАДФН. Пять молекул 3-ФГА используются для регенерации трех молекул РуБФ, а шестая молекула 3-ФГА может быть выведена из цикла и транспортирована в цитоплазму автотрофной клетки.

В реакциях регенерации РуБФ одна молекула 3-ФГА взаимодействует с ДГАФ с образованием фруктозо-1,6-бисфосфата (фермент фруктозобисфосфатальдолаза, 4.1.2.7), который дефосфорилируется с образованием фруктозо-6-фосфата (фермент фруктозобисфосфатаза, 3.1.3.11). Последний взаимодействует с 3-ФГА с образованием ксилулозо-5-фосфата и

эритрозо-4-фосфата (фермент транскетолаза, активный только в присутствии тиаминпирофосфата — ТПФ). Эритрозо-4-фосфат реагирует с ДГАФ, образуя седогептулозо-1,7-бисфосфат (фермент альдолаза), который затем дефосфорилируется до седогептулозо-7-фосфата (фермент седогептулозобисфосфатаза), который далее взаимодействует с 3-ФГА с образованием ксилулозо-5-фосфата и рибозо-5-фосфата (фермент I транскетолаза). Две молекулы ксилулозо-5-фосфата подвергаются эпимеризации по третьему атому углерода (фермент эпимераза) и превращаются в 2 моле­кулы рибулозо-5-фосфата. Рибоза-5-фосфат изомеризуется также в рибулозо-5-фосфат (фермент рибозофосфатизомераза). Таким образом, в ходе трансальдолазных и транскетолазных реакций углеродные скелеты перестраиваются и в результате образуется 3 молекулы рибулозо-5-фосфата. Заключительная стадия регенерации акцептора углекислого газа — фосфорилирование трех молекул рибулозо-5-фосфата с образованием трех молекул рибулозо-1,5-бисфосфата. Реакцию катализирует фермент фосфорибулокиназа (2.7.1.19). При этом ис­пользуются 3 молекулы АТФ. В итоге вновь образуются 3 молекулы РуБФ. Триоза, не использованная для регенерации РуБФ, является продуктом фотосин­теза, который может пойти на синтез гексоз и более высокомолекулярных углеводов как в самом хлоропласте, так и в цитоплазме автотрофной клетки.

Итак, фиксация трех молекул СО₂ и синтез одной молекулы триозы в цик­ле Кальвина потребовали 6 молекул НАДФН и 9 молекул АТФ, т.е. для асси­миляции одной молекулы углекислого газа по С₃-пути фотосинтеза необходимо 2 молекулы НАДФН и 3 молекулы АТФ.

Регуляция цикла Кальвина. Система регуляции цикла Кальвина сложно организована и включает метаболический, энергетический и генетический контроль. В основе регуляции лежит возможность изменения направления и

скорости протекания биохимических реакций цикла. Это реализуется, во-пер­вых, за счет изменения каталитической активности ферментов, а во-вторых, за счет влияния метаболитов и коферментов на протекающие процессы по принципу действия масс. Транспорт метаболитов из хлоропластов становится при этом важнейшим фактором регуляции метаболизма углерода.

Регулируемыми, как правило, являются ферменты, катализирующие «не­обратимые» реакции, т. е. реакции, в ходе которых имеет место значитель­ный отрицательный перепад свободной энергии. В цикле Кальвина «необрати­мыми» являются 4 реакции: 1) карбоксилирование, катализируемое Рубиско (РуБФ → 3-ФГК, ∆G' = -41 кДж); 2 и 3) две реакции, связанные с работой фосфатаз — фруктозо-1,6-бисфосфатазы (ФБФ → Ф6Ф, ∆G' =-27,2 кДж) и седогептулозо-1,7-бисфосфатазы (СБФ → С7Ф, ∆G' =-29 кДж); 4) фосфорилирование РуБФ, катализируемое фосфорибулокиназой (РуБФ →РуБФ, ∆G' = = -15,9 кДж). Кроме того, две реакции восстановительной стадии, катализируе­мые ФГК-киназой и трифосфатдегидрогеназой (ФГК →1,3-ДФГК → ФГА) при суммарной небольшой потере энергии в значительной степени подверже­ны действию метаболитов и зависят от действия масс. Концентрации АДФ, АТФ и ФГК оказывают значительное влияние на прохождение первой из этих реакций и определяют направление ее протекания.

Важной особенностью «регулируемых» ферментов цикла Кальвина являет­ся зависимость их активности от света. По крайней мере 5 ферментов цикла Кальвина активируются светом: рибулозобисфосфаткарбоксилаза, триозофосфатдегидрогеназа, фруктозобисфосфатаза, седогептулозобисфосфатаза и фосфорибулокиназа.

Контроль реакций цикла Кальвина светом включает ряд механизмов:

1) световые реакции фотосинтеза обеспечивают синтез АТФ и НАДФН — соединений, непосредственно используемых в цикле Кальвина;

2) создание на свету в строме хлоропластов оптимальных для активности ряда ферментов цикла Кальвина условий рН и концентрации ионов Mg²⁺;

3) светозависимая ковалентная модификация ферментов цикла Кальвина через систему тиоредоксина (см. рис. 3.1).

Своеобразная ковалентная и конформационная модификация светом про­исходят в Рубиско:

1) на свету благодаря повышению концентрации магния в строме облегча­ется присоединение молекулы СО₂ и магния к регуляторному центру Рубиско; карбамилизация фермента необходима для проявления его карбоксилазной активности;

2) свет вызывает присоединение к Рубиско низкомолекулярного белка-ре­гулятора активазы, который вытесняет из каталитического центра Рубиско рибулозо-1,5-бисфосфат и его изомер ксилулозо-1,5-бисфосфат, прочно свя­занные с каталитическим центром фермента в темноте и препятствующие при­соединению к нему молекул углекислого газа и магния в отсутствие света.

Таким образом, световая активация цикла Кальвина включает ряд механиз­мов, изменяющих каталитическую активность ферментов. Одни из них связаны с ковалентными модификациями ферментов за счет восстановления дисульфидных связей или карбамилизации аминогрупп, другие — вызывают нековалентные, конформационные изменения ферментов, обусловленные присое­динением метаболитов или созданием оптимальных условий для активности ферментов. Помимо этого свет контролирует содержание ферментов цикла Кальвина на генетическом уровне. Установлено, что свет активирует экспрес­сию генов малой субъединицы РуБФ-карбоксилаз-оксигеназы через фоторе­цепторы красного и синего света (см. гл. 7).

3.8.2. С₄-ПУТЬ ФОТОСИНТЕЗА (ЦИКЛ ХЭТЧА—СЛЭКА—КАРПИЛОВА)

С₄-путь фотосинтеза был впервые обнаружен у двух тропических злаков — кукурузы и тростника. В работах Ю.С.Карпилова (1965), М.Хэтча и К. Слэка (1966) с использованием меченого углерода (¹⁴СО₂) было показано, что пер­выми продуктами фотосинтеза у этих растений являются органические кисло­ты щавелевоуксусная и яблочная — соединения, содержащие 4 атома углерода (отсюда название «С₄-путь фотосинтеза»). Позже метка обнаруживалась в фосфоглицериновой кислоте и фосфоглицериновом альдегиде. Анализ динамики включения метки в продукты фотосинтеза позволил определить последова­тельность происходящих реакций и выявить цикл превращения углерода, от­личный от цикла Кальвина, названный впоследствии циклом Хэтча —Слэка. В цикле Хэтча—Слэка растения осуществляют первичную фиксацию углекисло­ты через карбоксилирование фосфоенолпирувата (ФЕП) при участии фер­мента ФЕП-карбоксилазы. Вслед за этим происходит синтез малата (или аспартата) — промежуточных продуктов фиксации СО₂, которые затем становятся источниками углекислого газа для восстановительного пентозофосфатного цикла. В цикле Кальвина у С₄-растений, как и у С₃-растений, восстанавливается угле­род СО₂ и синтезируются углеводы.

Для С₄-растений характерна особая структура листа, так называемая кранц-структура (рис. 3.42).

В нем структурно и функционально различают клетки обкладки и клетки мезофилла. Клетки обкладки крупные, плотно прилегают к сосудам листа, хлоропласты в них могут не иметь гран, часто содержат зерна крахмала. Клетки мезофилла мелкие, расположены рыхло; хлоропласты в них всегда имеют граны, редко содержат крахмал. Клетки обкладки связаны с клет­ками мезофилла множеством плазмодесм, благодаря чему между ними возмо­жен активный обмен метаболитами. Рубиско — карбоксилирующий фермент цикла Кальвина, найден в основном в хлоропластах клеток обкладки, тогда

как в клетках мезофилла обнаружен другой карбоксилирующий фермент — ФЕП-карбоксилаза. В клетках мезофилла проходит цикл Хэтча—Слэка, в клетках обкладки — цикл Кальвина.

Существует ряд модификаций С₄-пути фотосинтеза, связанных с химической при­родой продуктов-переносчиков углекислого газа в клетки обкладки (транспортным сое­динением может быть малат или аспартат), а также с характером последующих декарбоксилирующих реакций. В соответствии с ферментом, осуществляющим декарбоксилирование в клетках обкладки, различают сле-

дующие три группы С₄-растений, использующие для декарбоксилирования раз­ные ферменты:

1) НАДФ-малатдегидрогеназу (например, кукуруза — Zea mays, сахарный тростник — Sacharum officinarum);

2) НАД-малатдегидрогеназу (амарант — Amarantus retrophlexus, портулак — Portulaca oleaceae и др.);

3) ФЕП-карбоксикиназу (например, просо — Panicum maximum, хлорис — Chloris gayana).

Химизм НАДФ-малатдегидразного типа С₄-фотосинтеза, характерного для растений первой группы, представлен на рис. 3.43. Как видно из рисунка, в клетках мезофилла происходит первичная фиксация СО₂ через присоединение его (в форме НСО ) к ФЕП с образованием щавелевоуксусной кислоты (ЩУК). Карбоксилирующий фермент ФЕП-карбоксилаза (4.1.1.31), локализованный в цитозоле клеток мезофилла, отличается высоким сродством к НСО . Исполь­зование ферментом в качестве субстрата бикарбоната значительно увеличивает скорость фиксации углерода, поскольку содержание в клетке НСО выше, чем углекислого газа. Синтезированная ЩУК переносится в хлоропласты клеток мезофилла и там восстанавливается до малата с использованием НАДФН. Реак­цию катализирует фермент малатдегидрогеназа (1.1.1.8.2). Образовавшийся малат по плазмодесмам транспортируется в клетки обкладки. В клетках обкладки происходит реакция окислительного декарбоксилирования малата. Она катали­зируется ферментом НАДФ-малатдегидрогеназой (декарбоксилирующей) (1.1.1.40). В ходе реакции образуется пируват, выделяется углекислый газ и восстанавлива­ется НАДФ⁺. СО₂ и НАДФН используются в цикле Кальвина, а пируват по плазмодесмам возвращается в клетки мезофилла. В клетках мезофилла пируват превращается в высокоэнергетическую форму ФЕП в реакции, катализируе­мой ферментом пируватортофосфатдикиназой (2.7.9.1). При этом используют­ся АТФ и неорганический фосфат.

Рис. 3.43. С₄-путь фотосинтеза (НАДФ-малатдегидрогеназный вариант)

Пирофосфат, образующийся в реакции, гидролизуется до ортофосфата ферментом неорганической пирофосфатазой (6.6.1.1), а образовавшийся АМФ фосфорилируется за счет АТФ под действи­ем аденилаткиназы. В итоге превращение ПВК в ФЕП требует 2 молекул АТФ.

Расчет затрат АТФ и НАДФН на фиксацию одной молекулы СО₂ в С₄-пути фотосинтеза показывает, что для этого пути ассимиляции углерода необходи­мо большее количество АТФ, чем для С₃-пути фотосинтеза. Если принять, что в цикле Кальвина у С₄-растений, так же как и у С₃-растений, для фиксации одной молекулы СО₂ используется 3 молекулы АТФ и 2 молекулы НАДФН, то для превращения ПВК в ФЕП в цикле Хэтча—Слэка требуются дополнитель­ные 2 молекулы АТФ. В итоге для осуществления фиксации 1 молекулы СО₂ в ходе С₄-пути фотосинтеза необходимы 5 молекул АТФ и 2 молекулы НАДФН.

Регуляция С₄-пути фотосинтеза. Регуляция включает метаболитный, генети­ческий и световой контроль активности ферментов цикла Хэтча —Слэка. Осо­бое значение при этом имеет регуляция ФЕП-карбоксилазы — ключевого фер­мента цикла Хэтча—Слэка. Установлено, что

ФЕП-карбоксилаза ингибируется органическими кислотами (в первую очередь малатом). Фосфорилирование ФЕП-карбоксилазы повышает устойчивость фермента к малату. Свет активи­рует специфическую киназу ФЕП-карбоксилазы, которая фосфорилирует ФЕП-карбоксилазу и тем самым защищает фермент от аллостерического ингибирования малатом. В результате активность ФЕП-карбоксилазы на свету повыша­ется. Кроме того, свет активирует НАДФ-зависимую малатдегидрогеназу через тиоредоксиновую систему и фермент пируватортофосфатдикиназу (ПФДК) — путем активации системы дефосфорилирования фермента.

Таким образом, существует ряд механизмов регуляции С₄-пути фотосинте­за на уровне специфических для цикла Хэтча—Слэка ферментов. Вместе с тем, все регуляторные механизмы, отмеченные для С₃-пути фотосинтеза в ВПФ-цикле (см. подразд. 8.2.2), реализуются и в С₄-растениях.

Растения с С₄-типом фотосинтеза отличаются от С₃-растений: 1) световое насыщение фотосинтеза достигается у них при более высоких интенсивностях света; 2) у С₄ значительно выше скорость фотосинтеза при насыщающих интенсивностях света (40 — 80 мг СО₂/дм² листа в час по сравнению с 15 — 40 мг СО₂/дм² листа в час у С₃-растений); 3) температурный оптимум фотосинтеза смещается в область более высоких температур (около 30 — 35 °С); 4) значи- I тельно меньшие потери воды при синтезе органических веществ в ходе фото­синтеза (250 — 350 г воды при увеличении сухого веса на 1 г по сравнению с 450 — 950 г воды/г сухой массы у С₃-растений); 5) очень низкий уровень фото­дыхания; 6) высокая скорость роста и высокая продуктивность.

Дата добавления: 2015-07-13