Кинетика и химизм фотосинтеза

С начала XX в. существенно изменился характер исследований зависимости фотосинтеза от внешних условий. Влияние на фотосинтез количества и качества света, концентрации углекислого газа и кислорода воздуха, влажности, температуры и других факторов стало изучаться в комплексе, а не изолированно. Стали учитывать также внутренние факторы – концентрацию хлорофилла, накопление ассимилятов, возраст листьев и др. Мысль об одновременном учете основных сопряженных факторов получила развернутое экспериментальное и теоретическое обоснование в учении английского фитофизиолога Ф. Блэкмана (1905) о лимитирующих факторах фотосинтеза, уточненном позднее Р. Хардером (1921) и Г. Лундегордом (1921, 1924, 1937).

Многочисленные исследования, посвященные анализу воздействия внешних и внутренних факторов на воздушное питание растений, породили новое направление – экологию фотосинтеза, основным содержанием которого стало изучение этого процесса в различных природных условиях. Это направление получило особенно широкую разработку в трудах советских физиологов.

В 1905 г. Ф. Блэкман и Г. Маттеи установили, что процесс фотосинтеза складывается из двух фаз: первая включает световые (фотохимические) реакции, не зависящие от температуры, вторая – темновые (химические) реакции, тесно связанные с температурным фактором. Обе фазы фотосинтеза тщательно исследовал немецкий биохимик О. Варбург (1919, 1920). Он показал, что темновые (он предложил называть их блэкмановскими) реакции фотосинтеза можно изменить действием различных температур. Применив прерывистое освещение, Варбург определил продолжительность обеих фаз.

Многочисленные исследования были направлены на выяснение характера превращений веществ и энергии на обоих этапах фотосинтеза. Опираясь на открытие X. Виландом (1913) процессов окисления за счет дегидрогенизации воды (см. главу 6), Т. Тунберг (1923) и Ф. Вейгерт (1923, 1924) высказали мысль, что первоначальный, фотохимический акт фотосинтеза заключается в разложении воды на водород и перекись водорода, а на последующем нефотохимическом этапе водород восстанавливает углекислый газ до углеводного соединения. Более обстоятельно гипотеза окисления воды в ходе фотохимического этапа фотосинтеза была развита К.Б. Ван‑Нилем (1931–1935) и Г. Гаффроном (1939–1944), открывшим явление фоторедукции.

Новые перспективы фотохимических исследований фотосинтеза открылись после опытов английского биохимика Р. Хилла (1937, 1939), в которых изолированные хлоропласты растертых листьев эффективно восстанавливали на свету хиноны и выделяли кислород. При этом в качестве водородного акцептора был использован не СО₂, а железо‑калиевый оксалат. Эта реакция, получившая название реакции Хилла, подтвердила выводы Ван‑Ниля и Гаффрона о том, что процессы восстановления СО₂ и выделения О₂ независимы и их можно изучать каждый в отдельности. Кроме того, она опровергла мнение, будто изолированные выделенные из клетки хлоропласты не способны осуществлять фотосинтез. Позднее было установлено, что фотосинтезирующая способность зеленых пластид сохраняется в том случае, если их поместить в водную среду, содержащую всю совокупность ферментов зеленой клетки.

Метод меченых атомов позволил одновременно советским (А.П. Виноградов, Р.В. Тейс, 1941) и американским (С. Рубен с сотрудниками, 1941) исследователям окончательно доказать, что выделяемый при фотосинтезе растений кислород образуется не за счет СO₂ или других окислителей, как это имело место в реакции Хилла, а за счет фотолиза воды.

Для изучения световой фазы фотосинтеза многое сделали в 40‑х годах А.Н. Теренин, а также Г.Н. Льюис и М. Каша, исследования которых разъяснили вопрос о первичной фотореакции хлорофилла и трансформировании им световой энергии[48].

Новые методы исследования позволили выявить в процессе фотосинтеза три основные стадии: 1) отщепление атомов водорода под действием света от молекулы воды с выделением молекул кислорода; 2) перенос атомов водорода в ходе двух фотохимических реакций и 3) использование тех же атомов водорода для превращения углекислоты в сахара (темновые реакции).

Из трех названных стадий фотосинтеза наименее изучена первая. Несколько полнее исследована вторая, на которой благодаря хлорофиллу, играющему роль фотокатализатора, происходит аккумуляция световой энергии. За этим основным фотохимическим процессом следует ряд вторичных, так называемых темновых реакций, в которых накопления энергии не происходит. Суть же совершающихся при этом окислительно‑восстановительных реакций заключается в переносе атомов водорода или электрона, образующихся на первой стадии фотосинтеза, от одной молекулы к другой.

Представление о том, что вторая стадия фотосинтеза состоит из двух фотохимических реакций, связанных с возбуждением упомянутых выше двух пигментных систем, к настоящему времени получило серьезное экспериментальное обоснование и стало почти общепризнанным. Однако механизм этих реакций раскрыт пока еще не полностью. Известно, что энергия, накопленная второй системой, используется для образования аденозинтрифосфата (АТФ), а первая система за счет энергии света обеспечивает восстановительные синтезы водородом. В итоге взаимодействие двух фотохимических систем приводит к образованию АТФ, выделению кислорода и синтезу органических веществ из углекислого газа. Подробнее с механизмом происходящих при этом процессов, нашедших свое выражение в ряде схем, можно ознакомиться в ряде работ 60‑х годов Д. Арнона, Е. Рабиновича, В.П. Скулачева и др.

Третья стадия фотосинтеза, или так называемый цикл углерода, изучена наиболее полно. Крупнейших успехов в этой области достигли американский биохимик М. Кальвин с сотрудником А. Бенсоном и др. В начале 50‑х годов было показано, что первым стойким продуктом фотосинтеза является фосфоглицериновая кислота, а акцептором углекислого газа – рибулезодифосфат. В итоге Кальвин (Нобелевская премия, 1961) разработал схему превращения углерода в процессе фотосинтеза, основное содержание которой сводится к следующему. Рибулезодифосфат, присоединяя молекулу СO₂, распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты, а последняя подвергается восстановлению при участии АТФ и пиридиннуклеотидов. Дальнейшие сложные превращения приводят к образованию конечных продуктов (углеводов) и регенерации рибулезодифосфата, Эту стадию фотосинтеза называют также циклом Кальвина. В настоящее время изучены не только вещества, образующиеся на отдельных этапах данной стадии, но и ферментные системы, катализирующие различные реакции цикла.

Процесс образования АТФ при фотосинтезе в отличие от синтеза АТФ при дыхании (окислительное фосфорилирование) Л. Арнон (1954) назвал фотофосфорилированием. Было установлено, что использование АТФ в качестве «единой энергетической валюты» идет в основном по разным руслам. Образующийся при фотофосфорилировании АТФ используется в первую очередь в реакциях восстановления углекислого газа и только частично для вторичных синтезов. АТФ же, синтезируемый при дыхании используется преимущественно для других процессов жизнедеятельности растений – поддержания физико‑химического состояния клеточных структур, осмотических явлений, движения протоплазмы, синтеза различных сложных соединений и др. Примечательно, что источник для синтеза АТФ и при фотосинтезе, и при дыхании, как в растительной, так и в животной клетке один и тот же (см. главу 6).

Д. Арнон с сотрудниками, открывшие в 1954 г. процесс фотосинтетического фосфорилирования на изолированных хлоропластах, многое сделали для выяснения условий, необходимых для обеспечения более высокой эффективности преобразования световой энергии в энергию химических связей АТФ, и выявления особенностей этого процесса.