БОТАНИКА ТОМ 2 - ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ - 2007

6. ФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ

6.5. Фотосинтез: пути ассимиляции углерода

В процессе ассимиляции углерода СO₂ преобразуется в углеводы (СH₂O)_n. Образование одной молекулы гексозы можно представить в виде уравнения фотосинтеза:

6СO₂ + 12Н₂O —> С₆Н₁₂O₆ + 6H₂O + 6O₂.

Эта реакция идет с большими затратами энергии (∆G⁰ = 2 862 кДж моль^-1, что соответствует 477 кДж моль¹ на фиксацию одной молекулы СO₂). Кислород образуется из воды (см. 6.4.4: Фотоокисление воды). Формально углерод при этом восстанавливается от СO₂ в степени окисления +IV до (СН₂O)_n в степени окисления 0. Следовательно, на восстановление одного атома С нужно затратить 4 электрона, которые поступают от образованного в результате световых реакций фотосинтеза НАДФН + H⁺ (у некоторых бактерий соответственно HАДH + H⁺ — см. 6.4.10). Дополнительно в реакциях ассимиляции углерода используется энергия в форме АТФ, которая также образуется в результате световых реакций фотосинтеза (см. 6.4.4). Синтез одной молекулы гексозы из 6 СO₂ можно представить в виде следующей реакции:

6СO₂ + 12 HАДФН + 12 H⁺ + 18АТФ —> С₆Н₁₂O₆ + 12НАДФ+ + 18АДФ + 18Ф_Н + 6H₂O.

Она протекает в строме хлоропластов (у фотосинтезирующих прокариот соответственно в цитоплазме) и часто называется темновой фазой фотосинтеза, так как не

зависит от света напрямую. Принципиально, при наличии НАДФН и АТФ данные реакции могли бы протекать без света. Тем не менее в клетке ассимиляция СO₂ происходит исключительно на свету, ибо только при таких условиях образуются НАДФН и АТФ. Кроме того, реакции темновой фазы фотосинтеза активируются на свету и инактивируется в темноте (см. 6.5.5). Последовательность реакций темновой фазы сложна и включает большое число промежуточных реакций, катализируемых ферментами и образующих циклический процесс, который был назван циклом Кальвина в честь открывшего его ученого. М. Кальвин в течение нескольких секунд на свету воздействовал на водоросли (позже — на изолированные хлоропласты) радиоактивным ¹⁴СO₂, затем экстрагировал продукты реакции при помощи горячего этанола и разделял их методом двухмерной бумажной хроматографии. Разделенные продукты реакции с радиоактивной меткой можно было увидеть на радиоавтограмме и идентифицировать, сравнивая положение радиоактивных пятен на хроматограмме с положением пятен веществ известной химической структуры (стандартов).

Цикл Кальвина (рис. 6.67) можно разделить на три фазы: карбоксилирование, восстановление и регенерацию.

Данную последовательность реакций можно назвать также восстановительным пентозофосфатным циклом, так как она представляет собой обращенную последовательность реакций окислительного пентозофосфатного цикла (см. 6.10.3.5). Таким образом, многие ферменты, принимающие участие в цикле Кальвина, характерны не только для фотосинтеза.

Рис. 6.67. Общая схема трех фаз цикла Кальвина, образование одной молекулы гексозы из 6 молекул фиксированного диоксида углерода (СO₂)

6.5.1. Карбоксилирующая фаза цикла Кальвина

Первым продуктом реакции в цикле Кальвина является D-З-фосфоглицерат. Он появляется в результате карбоксилирования акцептора СO₂ рибулозо-1,5-бисфосфата (РуБф). На рис. 6.68 представлена реакция, которая катализируется рибулозо- 1,5-бисфосфаткарбоксилазой/оксигеназой (RubisCO). Окислительную функцию фермента мы рассмотрим позже (см. 6.5.6: Фотодыхание).

Реакция идет с выделением большого количества энергии (∆G^0,= -35 кДж • моль^-1) и поэтому протекает самопроизвольно. Рибулозо-1,5-бисфосфат теряет свою ендиоловую форму в результате присоединения растворенного в воде СO₂. Непосредственный продукт реакции, 2-карбокси-З-кето- D-арабинит-1,5-бифосфат, очень нестабилен и под действием воды быстро расщепляется на 2 молекулы D-3-фосфоглицера- та. Продукт дефосфорилирования в пятом положении и гидрирования аддукта СO₂ — 2-карбокси-D-арабинит-1-фосфат — является эффективным ингибитором реакции карбоксилирования. Он должен принимать участие в регуляции in vivo активности RubisCO. Только что фиксированный углерод появляется в карбоксильной группе одной из двух молекул D-3-фосфоглице- рата (см. рис. 6.68).

RubisCO присоединяет СO₂, а не преобладающий в водном растворе ион НСО3-. В щелочной среде стромы освещенных хлоропластов (pH 8) равновесие еще больше смещено в сторону гндрокарбоната. Установление равновесия в реакции СO₂ + Н₂O ⇄ НСО₃^- + Н⁺ катализируется ферментом карбоангидразой, однако нет прямых доказательств того, что активность этого фермента в темновой фазе фотосинтеза может определять скорость реакций.

Рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза/ оксигеназа хлоропластов является одним из специфичных ферментов фотосинтеза. Он представляет собой гексадекамер из 8 больших и 8 малых субъединиц и активен только в этой форме. Большая субъединица (51 — 58 кД) кодируется ДНК пластид (см. 7.2.1.2) и транслируется на 70S-рибо- сомах пластид при помощи их мРНК. Малая субъединица (12 — 18 кД), кодируемая ядерной ДНК, синтезируется на 80S-рибосомах в цитоплазме. На предварительном этапе у нее имеется сигнальная последовательность на N-конце, которая способствует транспортировке малой субъединицы RubisCO в хлоропласт (см. 7.3.1.4). Объединение субъединиц в цельный фермент протекает с участием шаперонов (см. 7.3.1.2).

Рис. 6.68. Процесс фиксации СO₂в цикле Кальвина. Реакция катализируется ферментом рибулозо- 1,5-бисфосфаткарбоксилазой (RubisСО). Сильным ингибитором фермента является 2-карбокси-D-арабинит-1-фосфат, аналог гидратированной формы 2-карбокси-3-кето-D-арабинит-1,5-бисфосфата

Рис. 6.69. Активация рибулозо-1,5-бис- фосфат-карбоксилазы (RubisCO) ионами Мg²⁺ и СO₂

Каталитический центр является составной частью большой субъединицы. У некоторых пурпурных бактерий фермент имеет некоторые отклонения в строении и представляет собой димер двух больших субъединиц.

Хотя значение К_m (см. 6.1.6.3) RubisCO для СO₂ составляет около 10 — 15 мкмоль и таким образом приблизительно соответствует концентрации растворенного в воде СO₂(концентрация СO₂ в атмосфере 350 — 360 ppm¹ соответствует равновесной концентрации СO₂ в водном растворе 10 мкмоль), катализ протекает не слишком интенсивно: обменное число фермента составляет лишь 3,3 с^-1 на каталитическую субъединицу (для сравнения: карбоангидраза проводит около 10⁵ катализов в секунду). Поэтому для эффективного катализа требуется очень большое количество фермента: количество RubisСО может составлять до 50 % от общего количества белка в листе. RubisСО является наиболее часто встречаемым ферментом биосферы.

¹ ppm — part per million, миллионная часть; 350 ppm соответствует 0,035 %. — Примеч. ред.

СO₂ является не только субстратом. Он играет также роль аллостерического активатора RubisСО: вместе со специальным лизином большой субъединицы СO₂ образует карбаматный комплекс, после присоединения, к которому, иона Мg²⁺ фермент становится активным (рис. 6.69). Карбамоилирование лизина катализируется ферментом RubisСО-активазой, при этом затрачивается энергия АТФ. Концентрация Мg²⁺ в строме на свету повышается, поэтому АТФ-зависимое карбамоилирование и присоединение Мg²⁺являются эффективными механизмами, которые гарантируют то, что фиксация СO₂ будет происходить только при наличии всех необходимых компонентов.

6.5.2. Восстановительная фаза цикла Кальвина

Первичный продукт фиксации СO₂ D- 3-фосфоглицерат на втором этапе цикла Кальвина восстанавливается до D-З-фосфоглицеринового альдегида. Реакция идет с большими затратами энергии, источником которой является АТФ. Восстановителем в этой реакции служит НАДФН + Н⁺. Как АТФ, так и НАДФ являются продуктами световой стации фотосинтеза (рис. 6.70). В процессе реакции D-З-фосфогли- церат под воздействием фермента фосфо- глицераткиназы преобразуется в 1,3-ди- фосфоглицерат, который потом восстанавливается до D-З-фосфоглицеринового альдегида в результате отщепления фосфатного остатка с помощью глицеральдегид- фосфатдегидрогеназы (ГАФДГ). Изоформы двух вышеупомянутых ферментов имеются также в цитоплазме (гликолиз/глюко- неогенез), однако пластидная ГАФДГ является НАДФН/НАДФ⁺-специфичной, в то время как цитоплазматический изофермент использует НАДН/НАД⁺. НАДФ-глицеральдегидфосфатдегидрогеназа преобразуется в дитиоловую форму под воздействием ферредоксин/тиоредоксиновой системы (рис. 6.71) и поэтому активируется только на свету. С подобной активацией светом мы уже познакомились на примере АТФ-синтазы (см. 6.4.9). По тому же принципу регулируется активность многих других ферментов цикла Кальвина (см. 6.5.3).

D-З-фосфоглицериновый альдегид находится в равновесии с дигидроксиацетон- фосфатом. Это равновесие поддерживается ферментом триозофосфатизомеразой. D- 3-фосфоглицериновый альдегид и дигидроксиацетонфосфат называют также три- озофосфатами, они уже являются углеводами (триозами). Ряд реакций присоединения служит для:

✵ синтеза последующих углеводов (например, гексоз) из триозофосфатов в качестве конечного продукта фотосинтеза;

✵ регенерации акцептора СO₂ рибулозо-1,5-бисфосфата.

6.5.3. Фаза регенерации цикла Кальвина

Для бесперебойной фиксации и восстановления СO₂ акцептор СO₂ — рибулозо-1,5- бифосфат (РуБФ) — должен постоянно регенерировать. Из 6 молекул РуБФ и 6 молекул СO₂образуется 12 молекул трио- зофосфата (см. рис. 6.67). Две молекулы из них идут на синтез одной молекулы гексозы (сначала появляется фруктозо-1,6-бифосфат), 10 оставшихся молекул триозофосфата используются для регенерации шести молекул РуБФ. Так происходит циклический процесс (см. рис. 6.67). Некоторые реакции этого процесса представлены на рис. 6.70. Для регенерации акцептора СO₂ непосредственно из рибулозо- 1,5-бифосфата требуется АТФ. Таким образом, на фиксацию одной молекулы СO₂ в цикле Кальвина в целом затрачиваются две молекулы НАДФН + Н⁺и три молекулы АТФ (две в фосфоглицераткиназной реакции, одна в рибулозо-5-фосфат-1-киназной реакции).

Ферменты, катализирующие необратимые реакции восстановительной фазы, рибулозо-5-фосфат-1 -киназа, фруктозо-1.6- бисфосфат-1 -фосфатаза и седогептуло- зо-1,7-бисфосфат-1-фосфатаза активируются на свету ферредоксин/тиоредоксиновой системой (см. рис. 6.71) так же, как и НАДФ-глицеральдегидфосфатдегидрогеназа (см. 6.5.2). Кроме того, обе фосфатазы подобно RubisСО активируются Мg²⁺ и имеют рН-оптимум около 8,0. Так как благодаря транспорту ионов водорода в люмен тилакоидов на свету значение pH в строме хлоропласта повышается с 7,2 до 8,0, а концентрация ионов и восстановленного тиоредоксина также возрастает, зависимость этих ключевых ферментов цикла Кальвина от pH, Мg²⁺ и тиреодок- сина представляет собой высокоэффективную систему активации светом (и торможения в темноте) всех процессов темновой фазы.

6.5.4. Переработка первичных продуктов ассимиляции углерода

В качестве конечного продукта реакций фиксации и восстановления СO₂ появляется триозофосфат (см. рис. 6.70; рис. 6.72). Некоторая его часть экспортируется из хлоропластов и идет на синтез гексозы в цитоплазме. Из гексозы синтезируется важнейший транспортный сахар — сахароза (тростниковый сахар). Неизрасходованный на синтез сахарозы или регенерацию РуБФ «излишек» триозофосфата (до 30 % от общей продукции фотосинтеза) используется в хлоропластах для синтеза крахмала. Таким образом, восстановленный углерод сохраняется в осмотически неактивной форме. Ассимиляционный крахмал (также называемый транзитным) в темноте преобразуется в глюкозу и триозофосфаты, которые транспортируются в цитоплазму и используются для синтеза сахарозы. Наряду с сахарозой в процессе фотосинтеза интенсивно образуются и другие органические соединения, особенно некоторые дополнительные углеводы и аминокислоты. Эти ассимиляты покидают клетку и по флоэме доставляются к органам-потребителям растения.

Рис. 6.70. Общий процесс цикла Кальвина. Из соображений наглядности представлена только последовательность реакций, в результате которых из трех молекул СO₂ образуется одна молекула триозофосфата. Серыми стрелками отмечены необратимые реакции. Они являются основными местами воздействия со стороны механизмов регуляции (также представлены серым цветом). Многочисленные стрелки показывают, сколько молекул реагирует в каждом случае образования из трех молекул СO₂ одной молекулы триозофосфата в качестве продукта фиксации. Для образования одной молекулы гексозы из 6 молекул СO₂(см. рис. 6.67) представленный здесь процесс должен повториться два раза

Рис. 6.71. Светозависимая регуляция ферментативной активности посредством дисульфид-дитиоловой конверсии с помощью тиоредоксина. В темноте происходит окисление тиоловых групп с образованием дисульфидных мостиков под действием молекулярного кислорода

Обмен триозофосфатами между цитоплазмой и хлоропластом обеспечивает пассивный переносчик триозофосфат-транслокатор, который осуществляет взаимный обмен фосфат-ионами, т.е. осуществляется антипорт. Таким образом предотвращается нехватка фосфатов в хлоропласте из- за экспорта триозофосфатов и обеспечивается постоянный синтез АТФ. Триозо- фосфат-транслокатор, вероятно, является гомодимером, мономеры которого имеют молекулярную массу около 30 кДа, и представляет собой самый распространенный белок внутренней мембраны хлоропласта (15 % от всего количества белка этой мембраны). Он кодируется в ядре клетки и в виде предшественника с транзитным пептидом на N-конце и импортируется в хлоропласт, приобретая при этом окончательную конформацию (см. 7.3.1.4). Мономер пересекает внутреннюю мембрану оболочки, предположительно, 6 раз при помощи гидрофобных α-спиралей. Две положительно заряженные аминокислоты в пятом α- спиральном домене — аргинин (R) и лизин (К) — представляют собой «посадочные места» для отрицательно заряженного субстрата (рис. 6.73).

Синтез сахарозы протекает в цитоплазме. Начинается он с фруктозо-6-фосфата и уридиндифосфоглюкозы (УДФГ). Сначала образуется сахарозофосфат (сахарозо- фосфатсинтазная реакция), который де- фосфорилируется под действием сахарозо- фосфат-фосфатазы с образованием сахарозы. Этот последний этап необратим и обеспечивает эффективный синтез сахарозы. Синтезированная сахароза транспортируется к местам использования и запасания по флоэме (см. 6.8: Транспорт ассимилятов). Являясь сахаром трегалозного типа, сахароза не имеет восстанавливающего конца и химически инертна. Поэтому она представляет собой подходящий транспортный метаболит, в отличие от свободных гексоз, которые из-за их карбонильной группы химически активны, их полуацетальные формы изомеризуются в водном растворе (мутаротация, см. 1.4.1; рис. 1.18). УДФГ возникает из УТФ и глюкозо-1-фосфата (УДФ-глюкозопирофосфорилазная реакция). Глюкозо-1-фосфат находится в состоянии равновесия реакции с фруктозо-6-фосфатом, который со своей стороны получается в результате необратимой реакции дефосфорилирования фруктозо- 1,6-бисфосфата (фруктозо-1,6-бисфосфат-1-фосфатазная реакция). Затем происходит присоединение триозофосфатов, так как фруктозо-1,6-бисфосфат и триозофосфат пребывают в равновесных отношениях (альдолазная реакция) (см. рис. 6.70; 6.72).

Рис. 6.72. Метаболизм и транспорт углеводов в фотосинтезирующих и запасающих тканях

Рис. 6.73. Модель расположения полипептидной цепи мономерного триозофосфатного транслокатора во внутренней мембране хлоропласта.

Аминокислоты, показанные темно-серым цветом, лизин (К)-273 и аргинин (R)-274, соединяются с субстратом (однобуквенный код, см. рис. 1.11). Вероятно, природный транслокатор находится в мембране в виде димера

Пластидные изоформы цитоплазматических ферментов катализируют в строме хлоропластов синтез гексозофосфатов из триозофосфатов. Кроме того, для синтеза крахмала, который подробнее рассмотрен в разделе 6.17.1.2, используется активированная глюкоза, в данном случае аденозиндифосфоглюкоза (АДФГ), которая получается из АТФ и глюкозо-1-фосфата в результате реакции, катализируемой ферментом АДФ-глюкозопирофосфорилазой. В темноте ассимиляционный крахмал преобразуется либо в глюкозу под воздействием амилазы и мальтазы (гидролиз), либо в глюкозо-1-фосфат в результате фосфорилирования (фосфорилаза крахмала) (см. 6.17.1.2).

И глюкоза, и глюкозо-1-фосфат используются в синтезе сахарозы. Для этого глюкоза транспортируется в цитоплазму с помощью транслокатора, а глюкозо-1-фосфат преобразуется в строме в триозофосфат, который доставляется в цитоплазму посредством триозофосфатного транслокатора (см. рис. 6.72). Реакцию образования фруктозо-1,6-бисфосфата из фруктозо-6- фосфата катализирует свой собственный фермент фруктозо-6-фосфат-1 -киназа, так как реакция с вышеупомянутым ферментом фруктозо-1,6-бисфосфат-1 -фосфатазой протекает с выделением большого количества энергии, она не может свободно идти в обратном направлении. Дальнейшую судьбу продуктов фотосинтеза рассмотрим позже (см. 6.8; 6.10 — 6.17).

6.5.5. Механизмы регуляции синтеза и распределения углеводов

Регуляционные процессы мы уже упоминали в связи с регуляцией светом цикла Кальвина. Ферменты, которые катализируют необратимые реакции цикла Кальвина, дополнительно ингибируются конечным продуктом (см. рис. 6.70). Благодаря такой точной регуляции удается избежать накопления ненужных в данный момент промежуточных продуктов обмена веществ. Все же согласование активности обмена веществ в хлоропластах и цитоплазме во время световой и темновой фаз фотосинтеза требует дополнительного контроля, который служит в основном для того, чтобы распределить триозофосфаты в соответствии с потребностями клетки. Так, слишком интенсивный расход триозофосфата из цикла Кальвина для синтеза крахмала или сахарозы может повредить регенерации акцептора СО₂ — рибулозо-1,5-бисфосфата, и привести в итоге к прерыванию самого цикла. Контрольными точками регуляции здесь являются прежде всего те ферменты, которые катализируют необратимые реакции: в синтезе сахарозы — цитоплазматическая фруктозо-1,6-бисфосфатфосфатаза, а в синтезе крахмала — пластидная АДФ-глюкозофосфорилаза. Механизмы регуляции в цитоплазме направлены в первую очередь на сахарозофосфат- синтазу, а в хлоропластах — на фосфорилазу крахмала.

Точный контроль расхода триозофосфата на синтез сахарозы осуществляется посредством изменения концентраций фрук- тозо-6-фосфата, фосфата и триозофосфата (рис. 6.74). Высокие концентрации фосфата и фруктозо-6-фосфата активируют фруктозо-6-фосфат-2-киназу. Она способствует синтезу фруктозо-2,6-бисфосфата (Фр-2,6-бФ), сильного ингибитора фруктозо- 1,6-бисфосфатфосфатазы. Фр-2,6-бФ. Одновременно активирует пирофосфатза- висимую Фр-6-Ф-киназу, т.е. концентрация фруктозо-6-фосфата уменьшается, а концентрация триозофосфата увеличивается. Последний ингибирует фруктозо-6- фосфат-2-киназу и активирует Фр-2,6-бФ- фосфатазу, снижая концентрацию фруктозо-2,6-бисфосфата и повышая использование фруктозо-1,6-бисфосфата. Таким Образом осуществляется очень точно согласованный метаболический контроль использования триозофосфата (см. рис. 6.74). Сюда же относят повышение активности сахарозофосфатсинтазы посредством глюкозо-6-фосфата (индикатора нехватки гексозы в цитоплазме).

Рис. 6.74. Регуляция использования триозофосфатов в цитоплазме при помощи метаболитного контроля фруктозо-2,6-бисфосфатной системы

Менее понятна регуляция синтеза крахмала в хлоропластах. Активность АДФ- глюкозопирофосфорилазы повышается D- 3-фосфоглицератом. Увеличение концентрации фосфоглицерата в строме — показатель того, что фиксируется больше СO₂, чем требуется в форме продукта реакции D-З-фосфоглицерата для экспорта в цитоплазму и обеспечения цикла Кальвина. Фосфат ингибирует АДФ-глюкозопиро- фосфорилазу. Увеличение его концентрации происходит преимущественно вовремя темновой фазы фотосинтеза, когда не идет фотофосфорилирование. При этом отсутствует также активатор АДФ-глюкозо- лирофосфорилазы — D-З-фосфоглицерат. Фосфат активирует фосфорилазу крахмала и наряду с крахмалом одновременно служит ей субстратом, поэтому регуляция синтеза и расщепления крахмала посредством изменения концентрации фосфата ведет к эффективной мобилизации транзитного крахмала

6.5.6. Фотодыхание

В специфической побочной реакции RubisСО катализирует фиксацию одной молекулы O₂ вместо СO₂, при этом акцептором служит также рибулозо-1,5-бисфос- фат. В отличие от карбоксилирования ок- сигеназная реакция производит только одну молекулу D-З-фосфоглицерата и одно двухуглеродное соединение, 2-фосфогли- колат (рис. 6.75). При интенсивном освещении оксигеназная активность RubisСО составляет около 20 — 30% всех реакций при высоких температурах, достигая даже

50 %. Причина такой зависимости от температуры в том, что сродство RubisСО к СO₂ падает с повышением температуры и одновременно сильно уменьшается растворимость СO₂ в воде по сравнению с O₂. Растение испытывает сильную потребность снова получить из 2-фосфогликолата изъятый из цикла Кальвина углерод (см. рис 6.75). При этом идет потребление кислорода и выделение СO₂, поэтому процесс по формальной аналогии с клеточным дыханием называют фотодыханием.

Рис. 6.75. Последовательность реакций и компартментация фотодыхания. Для синтеза серина используются две молекулы глицина: рибулозо-1,5-бисфосфатоксигеназная реакция и синтез глицина из 2-фосфоглико- лата идут 2 раза (на сером фоне): (1) — фосфогликолатфосфатаза; (2) — гликолатоксидаза; (3) — каталаза; (4) — серинглиоксилатаминотран- сфераза и глутаматглиоксилатаминотрансфераза; (5) — глициндекарбоксилазный комплекс; (6) — гидроксипируватредуктаза; (7) — глицерат- киназа; (8) — глутаматсинтаза/глутаминсинтетазный цикл (см. 6. 6. 1); (9) — глицератгликолат-транслокатор; (10) — аминокислотный транслокатор; (11) — малатглутамат-транслокатор; (12) — малат-2-оксоглутарат-транслокатор

✵ Очень часто, когда говорят об оксигеназ- ной активности RubisСО, упоминают о том, что она недостаточно четко различает субстраты На ранних этапах эволюции фермента способность различать O₂ и СO₂ не имела значения из-за отсутствия молекулярного кислорода, вследствие чего не подвергалась естественному отбору Только с появлением окислительного фотосинтеза атмосфера постепенно насытилась кислородом Хотя с тех пор прошло почти 1,5 млрд лет, очевидно, что эволюционная оптимизация каталитического центра RubisСО невозможна, поэтому при участии трех клеточных органелл должен был развиться сложный биохимическии механизм устранения вреда (потеря углерода), причиняемого оксигеназной активностью RubisСО. Наряду с этим обсуждают вопрос возможного участия фотодыхания в механизме дополнительной защиты от вредного окислительного действия фотосистем. Последний должен быть задействован в том случае, когда при недостатке воды и, следовательно, закрытых устьицах потребляется меньше СO₂, тогда как сильное световое излучение способствует интенсификации синтеза АТФ и НАДФ, а парциальное давление O₂ высокое (фотоокисление воды!). Фотодыхание устраняет O₂, АТФ и НАДФН¹, а также способствует внутреннему высвобождению СO₂, чем обеспечивает нормальный ход цикла Кальвина.

¹ Указание на использование НАДФН в хлоропласте при фотодыхании ошибочно: сравните с рис. 6.75. — Примеч. ред.

Реакции фотодыхания протекают в хлоропластах, пероксисомах и митохондриях. Пероксисомы, как и глиоксисомы, относятся (см. 6.12) к микротельцам (см. 2.2.6.6). В клетках мезофилла пероксисомы, хлоропласта и митохондрии очень часто располагаются рядом (рис. 6.76), что является доказательством интенсивного обмена веществ между этими органеллами.

Рис.6.76. Органеллы в клетках мезофильногоста табака (срез, 17 000х)

Последовательность реакций фогодыха- ния представлена на рис. 6.75. В результате 2 молекулы фосфогликолата (2 раза по 2 атома С) преобразуются в одну молекулу D-З-фосфоглицерата, который идет на нужды цикла Кальвина. Следовательно, возвращается 75 % углерода, изъятого из цикла в виде 2-фосфогликолата (3 из 4 атомов С), четверть углерода высвобождается в виде СO₂ при образовании L-серина из 2 молекул глицина в митохондриях. Синтезированный в результате глициндекарбоксилазной реакции ион NH₄⁺очень эффективно заново фиксируется в хлоропластах с образованием глутамата¹. Эта реакция будет подробнее рассмотрена в разделе 6.6. Глициндекарбоксилаза представляет собой мультиэнзимный комплекс, сходный с митохондриальной пируватдегидрогеназой, и в зеленых частях растения может составлять до 30 —50 % от общего количества белка в матриксе митохондрий, тогда как в незеленых частях растения этого фермента либо совсем нет, либо он присутствует в очень малых количествах. Это объясняет те огромные затраты вещества и энергии, которые растение несет в процессе фотодыхания. Кроме того, в пероксисомах в больших количествах содержится каталаза, их основной фермент. Некоторые видимые при электронной микроскопии кристаллические включения в пероксисомах состоят из каталазы. Фермент катализирует реакцию диспропорционирования перекиси водорода (Н₂О₂), появляющейся в результате гликолатоксидазной реакции, до Н₂О + 1/2O₂ и таким образом защищает клетки от сильных окислителей.

¹ По современным данным, фиксация NH+4 может происходить в цитоплазме и митохондриях. Транспорт токсичного аммония из митохондрии в хлоропласт маловероятен. — Примеч. ред.

Обмен метаболитами между участвующими в фотодыхании компартментами осуществляется транслокаторами во внутренней мембране хлоропластов или митохондрий, обмен веществ происходит благодаря простым норинам в мембране пероксисом, которые представляют собой интегральные порообразующие мембранные белки, выполняющие прямой неселективный перенос низкомолекулярных соединений.

Фотодыхание требует намного больше энергии, чем фиксация СO₂. На СO₂ в цикле Кальвина тратится в общем 3 молекулы АТФ и 2 НАДФН (см. 6.5.3). Чтобы достичь полного углеродного баланса (т.е. не потерять углерод в процессе оксигеназной реакции), метаболиты, появившиеся в результате двух оксигеназных циклов, — два 2-фосфогликолата и два D-3- фосфоглицерата — должны быть переработаны, а получившийся в итоге СО₂ должен заново фиксироваться RubisCO. Так как из двух молекул 2-фосфогликолата образуется одна молекула D-3-фосфоглицерата, в результате цикла Кальвина три молекулы фосфоглицерата должны преобразоваться в три молекулы триозофос- фата, восстановиться тремя РуБФ, т.е. фиксируется 1 молекула СО₂, а также компенсируются издержки фотодыхания (1 АТФ: глицерат- киназа, 1 АТФ и 2 Fd_red соответствует 1 НАДФН: на повторную фиксацию NH⁺₄)¹. Итого, на 2 молекулы О₂ тратится 10,5 АТФ и 6 НАДФ (т.е. чуть более 5 АТФ и 3 НАДФ на одну молекулу О₂) только для того, чтобы восстановить углеродный баланс². Отношение карбоксилирования к оксигенированию в листе составляет промежуточное значение между 2:1 и 4:1, поэтому фотодыхание забирает около 50 % АТФ и НАДФ. Итак, около трети полученной от антенных комплексов световой энергии идет на нужды этой побочной реакции.

¹ Эту часть можно не учитывать при расчетах, если считать, что повторная фиксация NН⁺₄ идет в митохондриях с использованием НАДН, образовавшегося в реакции 5 (см. рис. 6.75). — Примеч. ред.

² Энергетические издержки фотодыхания явно преувеличены. Часто перед растением не стоит задача полностью замкнуть цикл фотодыхания. Так, этот процесс может использоваться для образования глицина или серина, необходимых для синтеза белка. При сильной засухе замкнуть цикл фотодыхания принципиально невозможно: происходит потеря СО₂ в результате диффузии, и «затраты на повторную фиксацию» не реализуются. — Примеч. ред.

6.5.7. Поглощение СО₂ растением

Естественная концентрация СО₂ в атмосфере на данный момент составляет около 0,036 — 0,037 об. % (360 — 370 ppm). В середине 60-х гг. XX в. это значение составляло около 320 ppm. С тех пор средняя концентрация СО₂ почти линейно возросла до нынешнего значения. Градиент концентрации между окружающим и внутриклеточным воздухом очень невысок, его не хватает на то, чтобы провести СО₂ через диффузионный барьер кутикулы и эпидермиса при закрытых устьицах. Совершенно иначе это происходит в процессе дыхания в случае с поглощением О₂: высокий градиент концентрации между наружным воздухом (около 21 об. %, 210 000 ррm) и дышащими митохондриями (близко к 0 %) обеспечивает диффузионную норму, которая позволяет покрывать потребность в O₂ oрганов растения малого объема даже при закрытых устьицах. СO₂ попадает в растение только через открытые устьица, поэтому степень открытости устьиц оказывает решающее влияние на фотосинтез. Так как из-за высокого сродства RubisСо к СO₂ (10—15 мкмоль, см. 6.5.1) естественная концентрация СO₂ (и концентрация находящегося с ним в равновесных отношениях СO₂, растворенного в воде: при 25 °С — около 10 мкмоль) расположена ниже оптимального для фермента уровня, необходимо наименьшее сопротивление диффузии со стороны устьиц (наибольшая ширина устьичных щелей) в процессе фотосинтеза для эффективного снабжения хлоропластов СО₂. Из-за того что это одновременно ведет к сильной потере воды в результате транспирации, обеспеченность растения водой также важна для нормального течения фотосинтеза. Как уже было сказано (см. 6.3.4, уравнение 6.38), транспирационный коэффициент на средней листовой поверхности составляет около 200 — 800 (количество граммов транспирированной воды на количество граммов фиксированного СО₂). Это значит, что с каждой молекулой фиксированного СО₂ испаряется 500—2 000 молекул воды. Данные цифры показывают, насколько критичным является для растения оптимальный контроль над функциями устьиц. Кроме концентрации СО₂ и обеспеченности растения водой, степень открытости устьиц регулируется также светом и температурой. Устьица (см. 3.2.2.1; 6.3.4; 8.3.2.5) функционируют как регулируемые вентили, управляемые тургором (рис. 6.77). Непосредственным толчком к открыванию устьичной щели служит изменение тургора в замыкающих клетках и клетках, граничащих с ними, которые составляют устьичный комплекс, так как обладают особым морфологическим строением (см. 3.2.2.1). Повышение тургора в замыкающих клетках по сравнению с его нормой в окружающих клетках ведет к открыванию устьиц, снижение тургора — к замыканию устьичной щели. Регулируемое изменение тургора в замыкающих клетках происходит в результате изменения осмотического потенциала в клетках, которое основано на изменениях концентраций ионов калия (К⁺) и хлора (СI^-) и/или ионов малата (малат^2-) в качестве противоионов. Они контролируются несколькими взаимосвязанными процессами ионного обмена, в которых замыкающие клетки функционируют как регулируемые осмотические ячейки.

Рис. 6.77. Упрощенная схема системы обратной связи в регуляции работы устьиц:

— водный потенциал; АБК — абсцизовая кислота. Температурная регуляция не показана. Объяснения в тексте

Во-первых, осмотический потенциал замыкающих клеток регулируется имеющейся в тканях водой. Природа сенсора водного потенциала-сенсор) неизвестна. При достижении определенной пороговой величины водного потенциала (от -0,7 до -1,8 МПа в листе) выделяется фитогормон абсцизовая кислота (АБК, англ, abscisic acid, ABA, см. 7.6.4), которая в течение нескольких минут вызывает замыкание устьичной щели. Наряду с этой гидроактивной обратной связью устьица могут реагировать и гидропассивно, т.е. без изменения своего осмотического потенциала. В данном случае замыкающие и соседние клетки теряют или поглощают разные объемы воды.

Так, например, во время дождя клетки эпидермиса страдающего от недостатка воды растения поглощают воду быстрее, чем замыкающие клетки. Повысившийся таким образом тургор клеток эпидермиса по сравнению с его нормой в замыкающих клетках ведет к гидропассивному замыканию устьичной щели.

Замыкающие клетки реагируют на концентрацию СO₂ внутри листа. Сенсорный механизм, вероятно, локализован в замыкающих клетках, его природа еще не изучена. Снижение концентрации СO₂ в замыкающих клетках ведет к повышению их осмотического потенциала, последующему проникновению воды в клетки, объем которых увеличивается, и, наконец, к открыванию устьиц. При повышении концентрации СO₂ в замыкающих клетках осмотический потенциал снова снижается, устьичные щели закрываются.

Свет, с одной стороны, оказывает на замыкающие клетки прямое воздействие (предположительно, посредством рецепторов синей части спектра)¹ и приводит к

повышению их осмотического потенциала, следовательно, к открыванию устьичных щелей. Однако свет также открывает устьица опосредованно. При освещении запускается фотосинтез, снижается концентрация СO₂ в межклетниках, а затем и в замыкающих клетках.

В целом температурная зависимость открывания устьичной щели соответствует таковой фотосинтеза. У растения, хорошо обеспеченного водой, при высоких температурах зависимость открывания устьиц от СO₂ может исчезнуть. Это экологически целесообразно, так как при высоких температурах транспирационное охлаждение препятствует перегреву листа и максимально приближает его температуру к уровню, оптимальному для фотосинтеза

Степень открытости устьиц может колебаться на одном и том же листе. Замыкающие клетки реагируют на локальные условия. Это позволяет растению достичь значительной оптимизации газообмена.

Механизм движения устьиц и его контроль, как и особенности регуляции газообмена у растений с дополнительными механизмами фотосинтеза (см. 6.5.8 и 6.5.9), рассмотрены в разделе 8.3.2.5.

Поглощение СO₂ растением можно описать уравнением, выведенным из первого закона диффузии Фикса (см. уравнение 6.30):

Диффузионный поток СO₂ (J_С02) прямо пропорционален разности концентраций углекислоты (∆С_СО2) и обратно пропорционален сопротивлению диффузии г, которая равна сумме отдельных сопротивлений диффузии каждой устьичной щели (рис. 6.78). В воздухе СО₂ (как и О₂) может диффундировать быстрее, чем в воде, примерно в 10⁵ раз (СО₂ в газовой фазе — 1 см с^-1, в водной — 10^-5 см с¹). Поэтому для растения основная задача состоит преимущество в том, чтобы по возможности доставлять обменные газы к местам реакций в газовой фазе. Для этого служит система межклетников (см. 3.2.1, рис. 3.7).

¹ По последним данным, кроме криптохрома в рецепции светового сигнала участвует фитохром (рецептор красного света) — Примеч. ред.

К преградам, которые встречает на своем пути к фотосинтезирующим хлоропластам наземных растений СO₂(см. рис. 6.78), причисляют пограничный слой, т.е. воздушный слой, прилегающий к листу, сопротивление которого пропорционально толщине, либо слою воды, окружающий листья водных растений. В этом слое не протекают конвекционные процессы. Толщина воздушного слоя может составлять несколько миллиметров, при сильном ветре или течении этот слой может полностью исчезнуть. Толщина и устойчивость пограничного слоя зависят также от строения листа (например, от наличия волосков). При высоком сопротивлении пограничного слоя СO₂ из него попадает внутрь листа быстрее, чем поступает в него снаружи, таким образом прилегающий к листу воздушный слой обедняется углекислым газом. Практически непреодолимо сопротивление кутикулы, однако СO₂ проникает через устьица с помощью диффузии. Устьичное диффузионное сопротивление регулируется физиологическим состоянием растения и колеблется в широких пределах. При открытых устьицах оно в 4 — 5 раз меньше сопротивления мезофилла, которое складывается из диффузионного сопротивления в системе межклетников, сопротивления поверхностного натяжения при переходе в жидкую фазу в клеточных стенках (например, в палисадных клетках) и диффузионного сопротивления внутри цитоплазмы и хлоропластов. Поскольку величина градиента СO₂ в последнюю очередь определяется активностью карбоксилирующих ферментов, говорят еще и о так называемом «карбоксилирующем сопротивлении», которое не является диффузионным.

Рис. 6.78. Разность концентраций СО₂ и транспортное сопротивление в листе С₃-растения с устьицами только на нижней стороне в процессе фотосинтеза

Концентрация СО₂ в наружном воздухе (С_а) и воздухе в межклетниках (С1) становится минимальной в том месте, где проходит карбокси- лирование (С_с). В систему межклетников СО₂поступает не только снаружи, но и в результате дыхания митохондрий (Сm) и фотодыхания в пероксисомах (С_р).¹ В качестве транспортного сопротивления работают* сопротивление пограничного слоя г_а, регулируемое сопротивление устьиц r_s, диффузионное сопротивление в межклетниках г1, сопротивление при растворении и транспорте СO₂ в жидкой фазе клеточной стенки r_wи протоплазме г_р, г_х — «сопротивление карбоксилирования»

¹ В процессе фотодыхания высвобождение СO₂ идет не в пероксисомах, а в митохондриях (ср рис. 6.75), т.е. эта часть схемы неверна. — Примеч. ред.

В дальнейшем растение поддерживает концентрацию СО₂ в межклетниках на постоянном уровне при помощи изменения устьичного диффузионного сопротивления, пока на пути этой регуляции не возникнут какие-нибудь «помехи» (например, дефицит воды см. 8.3.2.5).

Многие растения аридных и теплых областей, так называемые С₄-растения (см. 6.5.8) и САМ-растения (см. 6.5.9), развили дополнительные механизмы, которые обеспечивают повышенную эффективность использования воды и дают растениям возможность иметь транспирационные коэффициенты от 200 (С₄-растения) до соответственно 30 (некоторые САМ-растения) (см. 6.3.4.1). Этого удалось достичь благодаря механизму предварительной фиксации СО₂, который так компартментализирован, что может служить «СО₂-насосом» для цикла Кальвина. Компартментация у С₄-растений достигается пространственным разграничением, а у САМ-растений — временным. В результате во время световой фазы С₄-растения могут держать свои устьица более закрытыми, чем С₃-растения, и снижать таким образом потребность в воде. САМ-растения переносят предварительную фиксацию СО₂на темновое время суток, чем уменьшают транспирацию. Данные процессы подробнее рассмотрим в двух следующих разделах.

Рис. 6.79. Реакции, связанные с карбоксилированием фосфоенол- пирувата в процессе фотосинтеза у С₄-растений

В дополнение к отдельным реакциям различных типов С₄-фотосин- теза см табл 6 20 и текст КО — клетки обкладки проводящих пучков, КМ — клетки мезофилла

6.5.8. Предварительная фиксация СО₂ у С₄-растений

В отличие от С₃-растений первичным продуктом фотосинтеза у С₄-растений является не трехуглеродное соединение D- 3-фосфоглицерат, а четырехуглеродное. Сначала появляется оксалоацетат, который, как показали эксперименты с меченым 14СO₂ (рис. 6.80), очень быстро преобразуется в малат или аспартат (рис. 6.79); фосфоглицерат появляется позднее.

С₄-растения отличаются особой анатомией листьев (кранц-анатомией): проводящие пучки имеют форму венца¹, они окружены слоем крупных клеток (клеток обкладки проводящего пучка), хлоропласта которых отличаются от пластид клеток мезофилла своим размером. Если С₄-растение синтезирует малат, то в хлоропластах клеток обкладки отсутствуют граны и обильно синтезируется крахмал (диморфизм хлоропластов, рис. 6.81; 6.82). Мезофилл обычно окружает клетки обкладки проводящего пучка и не дифференцирован на губчатую и палисадную паренхиму.

¹ Термин «кранц-анатомия» восходит к нем. Kranz — венец, корона. Здесь описаны анатомические особенности, характерные для злаков. — Примеч. ред.

Клетки мезофилла и клетки обкладки обладают высокой степенью функциональной специализации, которая определяется различным количеством важнейших ферментов в том и другом типе клеток (табл. 6.19). Оба типа связаны между собой многочисленными плазмодесмами. Часто, но все же не всегда, апопластическому обмену веществ препятствует непроницаемый субериновый слой в клеточной стенке, который отделяет клетки мезофилла от клеток обкладки проводящего пучка.

Рис. 6.80. Накопление радиоактивной метки ¹⁴С в органические соединения у С₄-растений после фотосинтеза различной продолжительности с применением ¹⁴СO₂

А — листья сахарного тростника в условиях «steady-state»-фотосинтеза (те при постоянном поступлении ¹⁴СO₂), В — листья сорго в условиях «pulse-chase-labeling» (кратковременная экспозиция в меченом ¹⁴СO₂) Листья ассимилировали 15 с, поглощая ¹⁴СO₂, затем снабжались нерадиоактивным ¹²СO_2. В обоих случаях радиоактивные атомы углерода очень короткое время находились в основном в С4-кислотах и только затем оказывались в D-3-фосфоглицерате и, наконец, в сахарозе или крахмале (α-глюкане)

Рис. 6.81. Кранц-анатомия С₄-растения (Zea mays) (с любезного разрешения I Эцгг). Клетки обкладки проводящего пучка на поперечном срезе листа окружают проводящий пучок кольцом и четко отличаются от клеток мезофилла. Хлоропласты клеток обкладки проводящего пучка заметно крупнее, чем таковые в клетках мезофилла

Рис. 6.82. Срез через клетки мезофилла и клетки обкладки проводящего пучка (фрагменты) листа кукурузы. Косо проходящая на рисунке клеточная стенка содержит пробковый слой (стрелки), который окружает каждую клетку обкладки и, помимо всего прочего, сильно уменьшает диффузию СО₂ из клеток обкладки. Обмен веществами между клетками осуществляется только посредством плазмодесм (12 000х)

Таблица 6.19. Локализация некоторых ферментов в двух типах хлоропластов у С₄-растений

* Хлоропласты с высоким содержанием малатдегидрогеназы обладают низкой активностью аминотрансферазы и наоборот.

Четырехуглеродные соединения образуются в мезофилле из фосфоенолпирувата и НСО₃. Гидрокарбонат-ион находится в равновесии с диффундирующим СО₂: СО₂ + Н₂О ⇄НСОз^- + Н⁺. Эта реакция катализируется карбоангидразой, см. 6.5.1. На первом этапе возникает оксалацетат (см. рис. 6.79). Реакция катализируется ферментом фосфоенолпируваткарбоксилазой (ФЕП-карбоксилазой). Ее сродство к НСОз^- (К_m = 10 мкмоль/л) не слишком отличается от сродства RubisСО к СO₂ (К_m) 10—15 мкмоль/л). Так как RubisСО не синтезируется в хлоропластах клеток мезофилла, конкуренции ферментов за субстрат СO₂ удается избежать. В процессе синтеза малата (рис. 6.83) у С₄-растений, к которым относятся такие важные культурные растения, как кукуруза, сахарный тростник и просо, сразу же происходит преобразование полученного оксалоацетата в L-малат. Эту реакцию катализирует находящаяся в хлоропластах НАДФ-зависимая малатдегидрогеназа. При помощи транслокатора малат экспортируется из хлоропластов в цитоплазму клеток мезофилла и по плазмодесмам поступает в клетки обкладки проводящего пучка. Там снова при участии специфического транслокатора он поступает в хлоропласты, где распадается на пируват и СO₂. Эта реакция катализируется маликэнзимом¹ с образованием НАДФН + Н⁺ (см. рис. 6.79; 6.83). Благодаря высокой концентрации малата в строме клеток обкладки концентрация свободного СO₂ в строме достигает значения около 70 мкмоль/л. Это обеспечивает его эффективную фиксацию при помощи рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы (RubisСО). Накопившийся пируват транспортируется обратно в клетки мезофилла, где посредством пируватфосфатдикиназы (см. рис. 6.79; 6.83) в хлоропластах преобразуется в фосфоенолпируват, который в свою очередь при помощи триозофосфат-транслокатора транспортируется в цитоплазму в обмен на фосфат и играет там роль субстрата в следующей реакции фиксации СO₂ (см. рис. 6.83).²

¹ Маликэнзим — это сокращенное название декарбоксилирующей малатдегидрогеназы. — Примеч. ред.

² Этот цикл превращений назван по имени первооткрывателей циклом Хэтча—Слэка. Одновременно с ними С4-путь был исследован Карпиловым. — Примеч. ред.

Рис. 6.83. Реакции обмена в клетках мезофилла и обкладки проводящего пучка, и обмен веществами между этими клетками в листе С₄-растения малатного типа

В отличие от клеток мезофилла в клетках обкладки проводящего пучка протекает полный цикл Кальвина. Так как в этих хлоропластах отсутствуют граны, активность фотосистемы II весьма невысока, и на свету в тилакоидах происходит циклический транспорт электронов с участием фотосистемы I и цитохром-b6/f комплекса. Это приводит к синтезу АТФ без образования НАДФН + Н⁺ (см. 6.4.7). Потребность цикла Кальвина в НАДФН наполовину покрывается маликэнзимом. Таким образом, малат транспортирует как СO₂, так и его восстановительный эквивалент (один НАДФН-эквивалент на одну молекулу СO₂) из хлоропластов мезофилла в хлоропласты клеток обкладки. Тем не менее на одну фиксированную молекулу СO₂ требуется 2НАДФН + 2Н⁺ (см. 6.5.2). Считается, что половина синтезированного D-З-фосфоглицерата покидает хлоропласты клеток обкладки и восстанавливается в хлоропластах мезофилла до триозофосфата, который при участии триозофосфат-транслокатора снова

поступает в хлоропласты клеток обкладки (см. рис. 6.83).

Следствием недостаточной активности фотосистемы II в хлоропластах клеток обкладки является сильное сокращение фотоокисления воды. Низкая концентрация кислорода в строме в сочетании с повышенной концентрацией СO₂ тормозят оксигеназную реакцию RubisСО. Благодаря этому значительно подавляется фотодыхание. Поэтому С₄-растения отличаются повышенной продуктивностью фотосинтеза по сравнению с Сз-растениями.

В процессе фотосинтеза С₄-растения, образующие малат, нуждаются не в 3 молекулах АТФ и 2НАДФН + 2Н⁺ на одну молекулу СO₂, подобно С₃-растениям, а в 4АТФ и 3 НАДФН + ЗН⁺, точнее в 2 АТФ + + 2НАДФН + 2Н⁺ в хлоропластах мезофилла и в 2АТФ + 1 НАДФН + Н⁺ в хлоропластах клеток обкладки. Тем не менее у С₄-растений устраняется перерасход энергии на фотодыхание, так что в итоге С₃- и С₄- растения тратят на фотосинтез примерно одинаковое количество энергии. При низких температурах и соответственно неактивном фотодыхании С₃-растения имеют преимущество перед С₄-растениями¹, при высоких температурах (>25 °С) из-за активации оксигеназной реакции RubisСО в выигрыше С₄-растения. Здесь следует добавить, что благодаря механизму концентрирования СO₂ у С₄-растений RubisСО может обеспечить реакцию с субстратом даже в случае нехватки воды, а, следовательно, при закрытых для снижения транспирации устьицах или при интенсивном освещении, когда устьица полностью открыты, а СO₂ не хватает. Эффективность механизма предварительной фиксации СO₂ при помощи ФЕП-карбоксилазы заключается не в высоком сродстве фермента к субстрату, а в том, что в строме освещенных хлоропластов (pH 8) отношение НСO^-₃:СO₂ составляет приблизительно 50:1. Таким образом, ФЕП-карбоксилаза², в отличие от RubisСО, может присоединять доминирующую в этой равновесной реакции форму углекислоты и результативно проводить фиксацию СO₂, даже если при полузакрытых устьицах концентрация растворенного в воде СO₂ упадет ниже уровня, приемлемого для RubisСО

¹ Распространение С₄-растений на север ограничено линией изотермы июля +12 °С. При температурах ниже +4 °С нарушается транспорт по плазмодесмам, мезофилл и обкладка не могут обмениваться метаболитами. — Примеч. ред.

² Это рассуждение противоречит данным о локализации ферментов в клетке ФЕП-карбоксилаза работает в цитозоле, а не в строме. Поэтому обсуждать pH стромы и реакции в этом компартменте в связи с активностью ФЕП-карбоксилазы некорректно — Примеч. ред.

Из всего сказанного следует, что С₄-ра- стения при недостатке воды, высоких температурах и интенсивном солнечном излучении имеют преимущество перед С3-растениями. Они прежде всего произрастают в теплых, засушливых областях³ с повышенной инсоляцией. В калифорнийской Долине Смерти 70 % всех видов, растущих относятся к С₄-растениям. Подсчитано, что около 17 % всех посевных площадей заселено С₄-растениями и они осуществляют около 30 % глобального фотосинтеза.

³ Речь идет об умеренно-аридных условиях (вода есть, но ее не всегда хватает). В экстрааридных условиях преобладают САМ-расте- ния — Примеч. ред.

Принцип «СO₂-насоса» и связанные с ним экофизиологические преимущества относятся также и к С₄-растениям, синтезирующим аспартат. От синтезирующих манат они отличаются по структуре и некоторым ферментам (табл 6 20) По реакциям высвобождения СO₂ среди синтезирующих аспартат различают НАД-малатдегирогеназный и ФЕП-карбоксикиназный типы В обоих случаях аспартат образуется при помощи глутаматаспартатаминотрансферазы в цитоплазме клеток мезофилла Аспартат симпласти- чески по плазмодесмам поступает в клетки обкладки проводящего пучка У С₄-растений НАД- малатдегидрогеназного типа он через аминокислотный транслокатор транспортируется в митохондрии, где преобразуется в оксалоацетат под действием изоформы глутаматаспартатамино- трансферазы Оксалоацетат превращается в ма- лат и разлагается на пируват и СO_2.

Малатдегидрогеназа (маликэнзим) НАД- специфична Освобожденный СO₂ диффундирует из митохондрий в хлоропласты и фиксируется посредством RubisСО. Пируват преобразуется в аланин, который экспортируется из митохондрий клеток обкладки проводящего пучка (задействован аминокислотный транслокатор) в цитоплазму клеток мезофилла, где снова превращается в пируват. В обратимой реакции превращения пирувата в аланин принимают участие две изоформы аланинглутаматаминотрансферазы. Пируват, как это происходит и у C4-растений, синтезирующих малат, снова преобразуется в фосфоенолпируват

У ФЕП-карбоксикиназного типа C4-метаболизма часть освобожденного в клетках обкладки СO₂ поставляется оксалоацетатом, который превращается в фосфоенолпируват с помощью ФЕП-карбоксикиназы и АТФ. Результатом реакции является высвобождение СO_2. Оксалоацетат у этих растений синтезируется из L-аспартата (см рис 6 79) Реакции протекают в цитоплазме клеток обкладки. Меньшая часть СO₂ освобождается при участии митохондриальной изоформы НАД-маликэнзима. Клетки мезофилла также синтезируют и поставляют малат в митохондрии (см синтез маната на рис 6 83) За перенос малата в митохондрию отвечает транслокатор дикарбоновых кислот.

Обмен веществ по С₄-типу запускается на свету У ФЕП-карбоксилазы при действии света фосфорилируется остаток серина, таким образом она активируется. В этой форме фермент ингибируется только высокими концентрациями малата. В темноте дефосфорилированный фермент малоактивен и даже очень низкие концентрации малата могут затормозить его действие НАДФ-зависимая малатдегидрогеназа активируется на свету тиоредоксином (см рис. 6.71), у пируватфосфатдикиназы на свету дефосфорилируется остаток треонина, что и придает ей каталитически активную конформацию.

Виды растений с фотосинтезом С₄-типа могут принадлежать к самым разным систематическим группам, при этом в некоторых таксонах они встречаются в большом количестве, например, среди Роасеае. Сюда относятся как важнейшие культурные растения, такие, как кукуруза, сахарный тростник и просо, так и распространенные сорняки вроде бермудской травы (свинороя). Многие С₄-виды можно найти также среди Аmaranthасеае (бывшие Сhenopodiасеае) В этом семействе в роде Аtriplex встречаются и С₃- и С₄-виды С₄-виды относятся к галофитам и на соленых почвах страдают также от (физиологической) нехватки воды.

Таблица 6.20 Классификация подгрупп С₄-растений по первичному продукту фиксации СO₂ и способу декарбоксилирования

¹ Приведенные примеры не относятся к злакам и имеют иные анатомические особенности по сравнению с указанными в таблице — Примеч. ред.

КМ — клетки мезофилла, КО — клетки обкладки

Для идентификации С₄-растений используют метод определения первичных продуктов фотосинтеза (после кратковременной фиксации меченого ¹⁴СO₂), метод определения углекислотной компенсации точки фотосинтеза (т е определение такой концентрации СO₂ во внешнем воздухе, при которой не происходит продуктивной фиксации СО₂, следовательно, фо- тосинтетическая фиксация СО₂ и высвобождение СО₂ при дыхании компенсируются) Изучают также анатомию листа и проверяют уровень фотодыхания (низкий, совсем отсутствует). И наконец, определяют соотношение изотопов углерода 13С ¹²С в растении. Последний метод основан на том, что растения во время фотосинтеза поглощают природные изотопы углерода в разных количествах (в атмосферном СО₂ содержится 98,89% ¹²С и 1,11% 13С) растения отдают предпочтение 1²СО₂, в меньшей степени поглощают 1³СО₂ и в еще меньшей степени — ¹⁴СО_2. Дискриминация ¹³СО₂ более выражена при РБФ-карбоксилазной фиксации СО₂, чем при ФЕП-карбоксилазной. У С₄-растений RubisСО реализует практически весь предварительно зафиксированный ФЕП-карбоксилазой СO₂, поэтому процент ¹³С в С₄-растении соответствует продукту ФЕП-карбоксилазной реакции, в то время как С₃-растение определяется по соотношению изотопов, характерному для RubisСо. Соответственно, С₄-растения содержат относительно более высокий процент ²³С, углеводы, выделенные из С₄-растений, тяжелее, чем сахара из С₃-растений

Соотношение ¹³С ¹²С определяется масс-спектрометрическими методами и выражается значением δ¹³С

где стандартом является контрольный образец известняка. Чем более отрицательным получается значение δ¹³С, тем меньше содержание изотопа ¹³С. У С₄-растений значение δ¹³С составляет около -14 ‰, у С₃-растений — около -28 ‰. Поскольку сахарный тростник является С₄-растением, а сахарная свекла — С₃-растением, по содержанию изотопа ¹³С можно масс-спектро- метрически определить происхождение сахарозы. Таким способом можно, например, отличить настоящий ром (приготовленный из сахарного тростника) от купажированного (с добавкой сахара, приготовленного из свеклы).

6.5.9. Предварительная фиксация СO₂ у САМ-растений

У многих суккулентов — растений, которые имеют ткань, способную запасать воду, предварительная фиксация СO₂ до малата и проходящая отдельно от нее окончательная фиксация СO₂ посредством RubisCO представляют собой последовательность реакций, аналогичную циклу у С₄-растений, синтезирующих малат. Правда, эти процессы разделены не в пространстве, а во времени. Характерным для данной последовательности реакций (рис. 6.84) является запасание в вакуолях большого количества первичного продукта фиксации СO₂ — малата, которое происходит ночью (повышение осмотического давления в вакуоли, возможно, связано с суккулентностью). Днем малат высвобождается и перерабатывается. Кислотность клеток колеблется в определенном ритме при смене дня и ночи, что и дало название этому явлению — суточный (циркадный) кислотный ритм.Этот процесс сначала был открыт у Crassulaceae (толстянковые), поэтому его называют кислотным метаболизмом Crassulaceae, или САМ (от англ. crassulacean acid metabolism).

Рис. 6.84. Характерные для кислотного метаболизма Crassulaceae реакции (САМ) в темное (черные стрелки) и светлое время суток (серые стрелки) и их компартментация. Характерные ферменты: (1) — ФЕП-карбоксилаза; (2) — НАД-малатдегидрогеназа; (3) — маликэнзим; (4) — пируватфосфатдикиназа. Серое поле: ФЕП-карбоксилаза ночью активна (фосфорилированная форма, ФЕПК-Ф). Эта форма очень слабо ингибируется малатом. Днем появляется сверхчувствительный к малату дефосфорилированный фермент (ФЕПК). Активация осуществляется специфической киназой ФЕП-карбоксилазы (ФЕПК-киназой), которая присутствует только ночью. К1 — константа ингибирования (представляет собой такую концентрацию ингибитора, которая требуется для ингибирования фермента на 50 %)

У всех CAM-растений ФЕП синтезируется ночью из крахмала через триозофос- фат путем гликолиза, а затем происходит фиксация СO₂ ФЕП-карбоксилазой (субстратом является HCO₃^-) и образование оксалоацетата. Малат, полученный из него при помощи цитоплазматической НАД- зависимой малатдегидрогеназы, транспортируется в вакуоль по малатному каналу (см. рис. 6.5). Транспорт малата против градиента концентрации происходит благодаря трансмембранной протонной силе, которая возникает в тонопласте при работе Н⁺-АТФазы, одновременно доставляющей противоионы к аниону малата. Поскольку значение pH содержимого вакуолей падает со временем, малат ночью должен находиться в основном в форме протонироранной яблочной кислоты. По сравнению с анионом малат^2- она лучше проникает через мембрану тонопласта, поэтому растущая концентрация ионов водорода ограничивает способность вакуолей запасать малат. Повышение содержания малата в цитоплазме ингибирует ФЕП-карбоксилазу. Этот принцип отрицательной обратной связи в конце концов лимитирует фиксацию СО₂ при удлинении темнового периода.

Запасенный в течение ночи малат днем не совсем понятным образом экспортируется из вакуоли по малатному каналу. В дневном декарбоксилировании, как и у С₄-растений, можно выделить 3 типа: НАДФ-маликэнзимный (например, Саctасеае, Аgavасеае), НАД-маликэнзимный (Сгаssulасеае) и ФЕП-карбоксикиназный (Асlepiасеае, Вгоmeliасеае, Liliасеае). Повторная фиксация СO₂ (освобожденного на свету при помощи одного из этих трех ферментов) ФЕП-карбоксилазой вместо RubisСО предотвращается, поскольку ФЕП-карбоксилаза на свету из активной (фосфорилированной) «ночной формы» с низкой чувствительностью к малату (50%-е ингибирование при приблизительно 3 ммоль/л малата) переводится в очень малоактивную (дефосфорилированную) «дневную форму» с высокой чувствительностью к малату (50%-е ингибирование при 0,3 ммоль/л малата). Следовательно, днем экспортированный из вакуолей малат ингибирует и без того каталитически слабый фермент так сильно, что он не может провести фиксацию СO₂, поэтому полученный из малата СО₂ поступает в распоряжение RubisСО.

Как и у С₄-растений, у САМ-растений также происходит фосфорилирование остатка серина ФЕП-карбоксилазы (см. 6.5.8). Отвечающий за это фермент киназа ФЕП- карбоксилазы подлежит строгому контролю со стороны биологических часов и обнаруживает циркадную ритмичность (см, 7.7.2.3). Киназа ФЕП-карбоксилазы быстро распадается, поэтому количество фермента в клетке определяется интенсивностью транскрипции гена (см. 7.2.2.3 — Транскрипционный контроль). Эта интенсивность высока ночью и исчезающе мала днем. В постоянных условиях освещения (в постоянной темноте соответственно тоже) эта ритмичность сохраняется, что является показателем ее эндогенной природы (ср. 7.7.2.3).

Экологическое преимущество САМ- растений состоит в том, что поступление СO₂ в открытые ночью устьица приводит к сильному снижению потерь воды по сравнению с дневным временем. Это возможно благодаря очень низким ночным температурам в местах обитания этих растений и соответственно высокой относительной влажности воздуха. В условиях хорошего водоснабжения САМ-растения не только фиксируют освобожденный в процессе разложения маната СO₂, но и открывают устьица, чтобы после исчерпания запасов малата фиксировать с помощью RubisСо наружный СO₂. Во время засухи, к которой эти растения, собственно, и адаптированы, они наоборот прикрывают устьица и тем самым сильно сокращают фиксацию наружного СO₂ в течение светового времени суток по сравнению с темным. Транспирационный коэффициент при этом составляет от 30 до 150 (фиксация С0₂ происходит преимущественно ночью, см. 6.3.4.1), т.е. потребность в воде САМ-растений составляет лишь малую долю таковой С₃-растений. Однако ввиду ограниченной способности вакуолей запасать малат при возможности фиксировать СO₂ исключительно в темноте ежедневный прирост биомассы весьма невелик. Исходя из этого, САМ-растения конкурентоспособны прежде всего в сухих местах произрастания, где холодные ночи способствуют синтезу и запасанию малата, а случайные, очень редкие, но все же обильные осадки дают возможность пополнить запасы воды. Некоторые САМ-растения, например, виды рода Mesembryanthemum, при избыточном водоснабжении переходят на обычный С₃- фотосинтез. Недостаток воды или засоление индуцируют синтез ферментов САМ. В экстремальных условиях пустынные растения (например, кактусы) при сильной нехватке воды держат устьица закрытыми и ночью, заново фиксируя освобожденный в процессе дыхания СO₂.

Способность к САМ-фотосинтезу свойственна в основном суккулентам: известно около 300 видов растений, которые используют данный способ дополнительной фиксации СO₂, например, Aizoaceae, Аросупасеае (бывшие Asclepiada- ceae), Asteraceae, Cactaceae, Crassulaceae, Didieraceae, Euphorbiaceae, Portulacaceae, Vitaceae, Agavaceae, Bromeliaceae (например, ананас), Liliaceae, Orchidaceae (например, ваниль); кроме того, САМ обнаружен, например, у похожего на лишайник эпифита Tillandsia usneoides из сем. Bromeliaceae и у некоторых тропических эпифитных папоротников ( Руггоsia piloselloides, P. longifolia). Важным отличием САМ-растений наряду с ферментным составом является не столько строение органов, сколько специфика клеточных структур (наличие крупных объемных вакуолей в клетках, содержащих хлоропласты: «сочность на уровне клетки»).

В отношении дискриминации изотопов можно сказать, что вовремя темновой фиксации и дальнейшей переработки СO₂ на свету САМ- растения ведут себя подобно С₄-растениям (меньшая дискриминация ¹³СO₂ по сравнению с ¹²СO₂). Поскольку как в условиях засухи усиливается темновая фиксация (большая часть от общей фиксации), в САМ-растениях содержится больше ¹³С (как и в С₄-растениях). Определение значения δ¹³С дает возможность констатировать засуху в естественных местах произрастания САМ-растений.

6.5.10. Дополнительное повышение концентрации СО₂ посредством гидрокарбонатного насоса

У всех цианобактерий имеется связанный с мембраной гидрокарбонатный насос (НСОз^-) для повышения концентрации СО₂ в карбоксисомах — местах локализации RubisСО. Таким образом компенсируется низкое сродство фермента к СO₂ и подавляется фотодыхание. В функционально похожем механизме концентрирования СO₂ у водорослей (а также фикобионтов лишайников) какую-то роль, возможно, играют пиреноиды (см. 2.2.9.1).

6.5.11. Влияние внешних факторов на ассимиляцию углерода

На фотосинтез, как и на все жизненные процессы, довольно сложным образом влияют разные факторы: стадия развития растения, обеспеченность СO₂, водой и минеральными веществами, качество и интенсивность освещения, температура. К фотосинтезу, как и ко всем физиологическим процессам, зависящим от целого ряда факторов, применим закон минимума: минимальное воздействие одного-единственного фактора ограничивает продуктивность всего процесса. При недостаточном обеспечении СO₂ благоприятные условия освещения, водоснабжения и температурного режима не могут дать положительного результата, и, наоборот, оптимальная концентрация СO₂ не гарантирует максимальную продуктивность фотосинтеза, если при этом недостаточна интенсивность освещения. Если все обстоятельства в общем и целом благоприятны, в качестве отправной точки принимают, что каждый квадратный метр зеленой листовой поверхности синтезирует 0,5 —1,5 г глюкозного эквивалента в час. Это приблизительно соответствует использованию 3 м³атмосферного СO₂.

Далее рассмотрим по отдельности некоторые факторы и их общее влияние на фотосинтез растений. Об экологической физиологии фотосинтеза см. 13.7.1.

6.5.11.1. Влияние освещения

Структура листа (см. 4.3.1.1; рис. 4.64) обеспечивает оптимальное поглощение света. Клетки эпидермиса в разрезе имеют форму линзы. Они фокусируют свет и направляют его на нижележащие клетки палисадной паренхимы, где проходит до 80 % фотосинтеза. Непоглощенные фотоны рассеиваются по пограничным поверхностям клеток губчатой паренхимы, благодаря чему фотоны не устремляются в определенном направлении, путь света через лист удлиняется, и вероятность поглощения квантов повышается.

Интенсивность направленного на лист излучения может измениться за короткий промежуток времени (например, во время затенения при облачной погоде). Хлоропласта многих растений противостоят таким колебаниям, изменяя свое положение относительно падающего на лист света. В так называемом положении слабого освещения линзовидные органеллы подставляют свету свою широкую сторону, в положении сильного освещения — свою узкую сторону. В переориентации органелл (см. 8.2.2) принимают участие кальций- зависимые процессы с участием цитоскелета, предположительно, актина. Благодаря этому изменяется поперечное сечение «световых ловушек», и поглощение квантов света в антенных комплексах стабилизируется в определенных границах независимо от интенсивности поступающего света.

Листья или побеги многих растений (например, люпина, люцерны, фасоли, сои, хлопчатника) следуют за дневным ходом солнца таким образом, чтобы листовые пластинки оставались перпендикулярными к лучам падающего света (англ, sun tracking). Этот положительный фототропизм¹ (см. 8.3.1.1) способствует максимально интенсивному освещению листьев и сокращает до минимума потери при отражении².

¹ В русской литературе фототропизмом называют необратимые ростовые процессы. В приведенном примере более корректно говорить о фотонастиях листьев (обратимый процесс). — Примеч. ред.

² В пустынных регионах с избыточной инсоляцией наблюдается противоположное явление: в результате фотонастии листовые пластинки располагаются ребром к свету. — Примеч. ред.

В естественных условиях количество хлорофилла не является фактором, ограничивающим интенсивность фотосинтеза, так как даже при низкой интенсивности освещения листья с пониженным содержанием хлорофилла поглощают так много фотонов, что фотосинтетический аппарат насыщается. Высокое содержание хлорофилла в листьях может играть роль только в том случае, если нужно как можно более полно абсорбировать какую-то небольшую часть спектра, необходимую для фотосинтеза, который выполняют уже другие листья (рис. 6.85). Теневые листья, как правило, содержат более высокую удельную концентрацию хлорофилла на единицу площади листовой поверхности, чем «солнечные». Они имеют также особо крупные граны, в которых может быть уложено до 100 тилакодов. Теневыносливые растения содержат больше пигментных молекул, обслуживающих электрон-транспортную цепь («фотосинтетическая единица»), а следовательно, имеют более крупные антенны и сниженное отношение хлорофиллов а : b (т. е. относительно больше хлорофилла b для лучшего использования зеленой части спектра, где хлорофилл поглощает кванты с низкой вероятностью). Кроме того, в тени в листьях преобладает фотосистема II. Теневые листья часто тоньше «солнечных», благодаря чему уменьшается затенение хлоропластов с нижней стороны (см. рис. 7.73). В регуляции развития листьев принимает участие фоторецепторная система, чувствительная к красной части спектра, фитохром (см. 7.7.2.4).

Рис. 6.85. Спектр распределения энергии над насаждениями пшеницы (серая кривая) и внутри листовой массы насаждений в тени (измерено на расстоянии 80 см от почвы (черная кривая); высота растений — 90—95 см)

При небольшой силе излучения интенсивность фотосинтеза пропорциональна фотонному потоку (бокс 6.2; рис. 6.86), пока остальные факторы не являются лимитирующими. Это верно и при более высокой интенсивности света, поэтому график зависимости наблюдаемого (нетто-) фотосинтеза от интенсивности света идет линейно до тех пор, пока, наконец, в результате дальнейшего повышения интенсивности света интенсивность фотосинтеза больше не увеличивается (наступает фотонасыщение). Как правило, в такой ситуации лимитирующим фактором служит обеспечение растения СO₂. Область фотонасыщения для растений, приспособленных к солнечным местам обитания, располагается в пределах от 500— 1500 мкмоль • м^-2 • с^-1, у теневыносливых растений — в пределах от 100— 500 мкмоль • м^-2 • с^-1 (кривая фотосинтеза выходит на плато). У С₄-растений (см. 6.5.8) в отличие от С₃-растений фотонасыщение не происходит даже. При интенсивном освещении вследствие более эффективного снабжения СO₂ цикла Кальвина. У С₄-растений общий процесс фотосинтеза, как правило, лимитируется освещением, поскольку недостаток воды не может обеспечить достаточное лимитирующее действие СO₂, когда устьица закрыты частично или полностью¹.

¹ Речь идет о засухе в пределах физиологической нормы. При экстремальной засухе продуктивность фотосинтеза у С₄-растений также снижается. — Примеч. ред.

Рис. 6.86. Зависимость нетто-фотосинтеза С₃- растения от света. Схематический график, построенный на основании типичных значений поглощения СO₂ в зависимости от фотосинтетически активной радиации (400—700 нм, ФАР) при оптимальной температуре

При еще более сильном освещении фотосинтетический аппарат может повреждаться, так что активность фотосинтеза снова падает. В естественных условиях это может произойти в том случае, если растения, адаптированные к условиям затенения, подвергать внезапному освещению солнечными лучами, особенно при низкой температуре, когда ферментативные реакции фиксации СO₂ замедлены (механизмы защиты фотосинтеза от ущерба, наносимого светом, см. 6.4.8; 6.5.6).

Бокс 6.2. Основные понятия фотобиологии

Под квантовым (фотонным) потоком (также квантовой, или фотонной, плотностью тока) понимают количество фотонов на определенную площадь и в определенное время (единицы измерения: моль - м^-2 • с^-1 = Е • m^-2 • с^-1, 1 Эйнштейн = 1 моль фотонов). Часто при этом рассматривают лишь область от 400 — 700 нм, т. е. область фотосинтетически активной радиации (ФАР, англ. photosynthetically active radiation). При полном солнечном свете, достаточной высоте Солнца и ясном небе ФАР обычно составляет 1 500 — 2 000 мкмоль - м^-2 • с^-1, в облачную погоду — около 190 — 220, в тени растений — около 25 — 50 (исходные данные) и в сумерках — только 1 мкмоль • м^-2 • с^-1. В полнолуние при ясном небе можно измерить 3,2 х 10^-4 мкмоль • м^-2 • с^-1, а только лишь звездный свет дает фотонный поток в 1,2 • 10 ⁶ мкмоль х м^-2 • с^-1. Основной целью измерений является определение не количества молей фотонов, а количества их энергии, что и показывает эквивалентная единица потока энергии (Дж • м^-2 • с^-1 = Вт • м^-2); энергия одного фотона определяется при помощи уравнения 6.41, энергия 1 моля фотона — при помощи уравнения 6.42. Количество фотонов в единицу времени (моль • с^-1) называется фотонным потоком. Только для монохроматического света, который, например, используется при поглощении действующих спектров, энергетический и фотонный потоки возможно пересчитывать друг в друга. При излучении, в котором присутствуют фотоны с одной длиной волны, нужно сначала определить спектральное распределение энергии.

А. Основные понятия спектральной фотометрии

Когда свет пропускают через образец, он абсорбируется в зависимости от структуры образца (рис. А). Под трансмиссией, или пропусканием, (Т) — понимают отношение интенсивности света при выходе из. образца (I) к интенсивности света при входе в образец (In). Трансмиссия показывает, какая часть света покидает образец. Часть света, которая поглощается образцом (абсорбируется), называется абсорбцией (А). Абсорбция и трансмиссия часто выражаются в процентах. Экстинкцию (Е) нельзя путать с абсорбцией. Значения экстинкции часто используются в фотометрии, так как для веществ в растворе при постоянном пути света (d) они пропорциональны концентрации веществ (с) (закон Ламберта—Вера). Коэффициент пропорциональности ε называется молярным коэффициентом экстинкции. Он измеряется в [1 моль^-1 • см^-1]; концентрация веществ дается в [моль • л^-1], а путь света в [см].

Интенсивность света, при которой потребление СO₂ (соответственно выработка O₂) полностью компенсируется выработкой СO₂ при митохондриальном дыхании (соответственно поглощением O₂), называется точкой световой компенсации фотосинтеза (см. рис. 6.86), здесь нетто-фото- синтез равен нулю. В «солнечных» листьях (соответственно у светолюбивых растений) точка световой компенсации составляет около 10 — 15 мкмоль • м^-2 • с^-1, в теневых листьях (у теневыносливых растений) — около 1 — 10 мкмоль • м^-2 •с-¹. Светолюбивые растения не могут, таким образом, расти под плотным листовым пологом, в то время как теневыносливые даже в густой тени достигают положительного углеродного баланса (см. 13.7.1).

6.5.11.2. Влияние концентрации углекислого газа

Концентрация СO₂ в атмосфере в 2000 г. составила 370 ppm (0,037 % по объему); за последние 40 лет она возрастала в среднем на 1 ppm в год (см. 13.7.6). Это связано прежде всего с деятельностью человека: сжигаются ископаемые резервы углерода (в настоящее время около 6 •10¹² кг ежегодно, общее количество ископаемого углерода на Земле оценивается в 3 500 • 10¹²кг). Из-за повышенной концентрации С0₂ атмосфера поглощает длинноволновое излучение в больших количествах. Возможные воздействия на климат (парниковый эффект), вегетацию, комплексные влияния на внутренние процессы в растениях и на экосистемы (см. 13.7.6) необходимо интенсивно изучать.

У С₃-растений фотосинтез при полной инсоляции должен, предположительно, лимитироваться количеством доступного диоксида углерода (см. рис. 6.86). Путем повышения концентрации СO₂ в среде можно при прочих равных условиях добиться повышения фотосинтетической активности у этих растений. Это делается при использовании метода «СO₂-удобрения» тепличных культур. Концентрацию СO₂ в теплицах с огурцами и томатами повышают на 0,1 %, и соответственно урожай возрастает на треть в сезон при условии, что остальные питательные вещества и свет присутствуют в достаточном количестве (экология содержания питательных веществ, см. 13.7.6).

Водным растениям не труднее поглощать СO₂, чем наземным, так как в воде при обычной температуре 15 °С СO₂ растворяется в том же процентном соотношении, в каком он присутствует в воздухе (10 мкмоль), к тому же медленная диффузия С0₂ в воде компенсируется движением воды (конвекцией). Подводные растения, у которых отсутствуют устьица и не выражена кутикула, либо поглощают всей поверхностью листьев только растворенный СO₂, либо (некоторые виды растений) дополнительно поглощают Са(НСО₃)₂.

6.5.11.3. Влияние температуры

Первичные фотохимические реакции фотосинтеза сильно зависят от температуры. Ферментативные процессы также находятся в существенной температурной зависимости (см. 6.1.6.4), которую можно описать реакцией по правилу Вант-Гоффа: скорость реакции v (см. уравнение 6.26) увеличивается почти вдвое при повышении температуры на 10 °С (значение Q₁₀):

Отсюда следует, что при низкой интенсивности освещения (лимитирующий фактор — свет) фотосинтез зависит от температуры меньше, чем при высокой интенсивности (лимитирующий фактор — СO₂). При повышающейся температуре растущая фотосинтетическая активность отражает прежде всего высокую скорость ферментативных реакций. С другой стороны, идущая на убыль активность фотосинтеза при температуре выше оптимума имеет сложную природу: хотя вместе с температурой повышается активность определяющего скорость реакции фермента RubisСО, его сродство к СO₂ снижается; одновременно при высокой температуре СO₂ растворяется в воде хуже относительно O₂, т. е. фотодыхание с повышением температуры активируется (см. 6.5.6). Таким образом, продуктивность нетто-фотосинтеза уменьшается. При высоких температурах фотосинтетический аппарат разрушается вследствие инактивации ферментов и повреждения мембран. Для растений различных местообитаний температурные границы и температурный оптимум располагаются соответственно в характерных диапазонах (экофизиология — см. 13.7.1).

6.5.11.4. Влияние воды

Растения Земли под воздействием света перерабатывают в целом около 1 875 км³ воды с образованием кислорода. Следовательно, на протяжении почти 8 млн лет фотоокислению было однократно подвергнуто в общем около 1,5 • 10⁹ км³ жидкой воды. С тех пор как существует оксигенный фотосинтез, запасы воды на Земле уже несколько сотен раз подвергались расщеплению. Все же только очень малая часть расходной воды служит растению субстратом для фотосинтетического расщепления (см. 6.4.4).

Недостаток воды не означает нехватку субстрата, он действует косвенно: с одной стороны, вызывает сильную дегидратацию клетки, разрушение ферментов и функциональных структур (например, мембран), с другой стороны, ведет к закрыванию устьиц и сокращению поступления СO₂. При закрытых устьицах лист способен повторно ассимилировать только освобожденный при дыхании внутренний СO₂.