С4-путь фотосинтеза (цикл Хетча и Слэка)

Существует большая группа растений (>500 видов покрытосеменных), у которых первичными продуктами фиксации СО₂ и восстановления являются четырех­углеродные соединения. Их называют С₄-растениями. Основы для биохимического исследования фотосинтеза у _С₄-растений были заложены в работах Л. А. Незговоровой (1956-1957), К. С. Карпилова и И. А. Тарчевского (1960-1963). В 1966 г. Хетч и Слэк (ав­страл.) предложили законченную схему цикла темповых реакций у С₄-растений, которая получила название цикла Хетча и Слэка.

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

Для листьев С₄-растений характерно анатомическое строение кранц-типа (от нем. Kranz - венок, корона), т. е. наличие явно отличающихся друг от друга фотосинтезирующих клеток двух типов, которые располагаются концентрическими кругами: ради­ально расположенные вокруг проводящих пучков клетки обкладки и основной мезофилл.

Клетки обкладки проводящего пучка содержат крупные, ли­шенные гран (агранальные) хлоропласты. В клетках мезофилла находятся более мелкие гранальные хлоропласты. Эти два типа клеток физиологически не равноценны и специализируются на выполнении разных звеньев фотосинтеза.

C₄-цикл можно разде­лить на две стадии: карбоксилирование (в клетках мезофилла) и декарбоксилирование и синтез углеводов (в клетках обкладки проводящих пучков). Общим для всех С₄-расте­ний является то, что карбоксилированию подвергается фосфоенолпировиноградная кислота (ФЕП) при участии ФЕП-карбок­силазы и образуется щавелевоуксусная кислота (ЩУК), которая восстанавливается до яблочной кислоты или аминируется с об­разованием аспарагиновой кислоты.

ЩУК, яблочкая и аспарагиновая кислоты являются C₄ соединениями.

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

У НАДФ-МДГ-растений глав­ными метаболитами, вовлечен­ными в обмен между клетками, являются малати пируват (ПВК), у НАД-МДГ-растений - аспартат и аланин и у ФЕП-КК-растений - аспартат и ФЕП.

Важ­нейшие с-х культуры (кукуруза, сорго, са­харный тростник) и такие сорняки, как сыть, ежовник, щетинник, гумай относятся к НАДФ-МДГ-типу.

Рассмотрим С₄-цикл восстановления СО₂ на примере этих растений.

СО₂, поступающий в лист через устьица, попадает в цитоплазму клеток мезофилла, где при участии ФЕП­-карбоксилазы вступает в реакцию с ФЕП, образуя ЩУК (оксалоацетат).

Затем в хлоропластах ЩУК восстанавливается до яблочной кислоты (малата) за счет НАДФúН, образующегося в ходе световой фазы фотосинтеза; ЩУК в присутствии NH₄ может превращаться также в аспартат.

Опыты с радиоактивной меткой (¹⁴С) показали, что после осве­щения растений в течение 1 с более 90 % радиоактивности обна­руживается в составе С₄-кислот.

Затем малат переносится в хлоропласты клеток обкладки со­судистого пучка, где он подвергается окислительному декарбо­ксилированию, продуктом которого является ПВК. Последняя снова диффундирует в мезофилл, где при участии АТФ, образованной в световой фазе, происходит регенерация ФЕП, после чего цикл карбоксилирования повторя­ется с участием новой молекулы СО₂. Образовавшиеся в резуль­тате окислительного декарбоксилирования малата СО₂ и НАДФ-Н поступают в цикл Кальвина, что приводит к образова­нию ФГК и других продуктов, свойственных С₃-растениям. Сле­довательно, именно клетки обкладки выполняют роль основной ассимилирующей ткани, поставляющей сахара в проводящую систему. Клетки мезофилла выполняют вспомогательную функ­цию - подкачку СО₂ для цикла Кальвина.

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

С₄-растений фиксация СO₂ и активность рубиско пространственно разделены

С₄-Растения обычно развиваются при большой интенсивности света и высокой температуре. Их отличает несколько важных характеристик: высокая скорость фотосинтеза, большая скорость роста, низкий уровень фотодыхания, малая скорость потери влаги и специализированная структура листа.

Глициндекарбоксилазная система. Глициндекарбоксилаза митохондрий растений представляет собой комплекс из четырех типов субъединиц со стехиометрией

P₄H₂₇T9L₂. С белком Н ковалентно связан остаток липоевой кислоты, которая может подвергаться обратимому окислению. (1) — образование шиффова основания между пиридоксальфосфатом (PLP от англ. pyridoxal phosphate) и глицином, катализируемое белком Р (названным так потому, что он образует связь с PLP). (2) — белок Р катализирует окислительное декарбоксилирование глицина, высвобождая СО₂; оставшаяся группа метиламина связана с одной из -SH-групп восстановленной липоевой кислоты. (3) — белок Т (который использует тетрагидрофолат (H₄F) в качестве кофактора) высвобождает NH₃ из метиламина и переносит оставшийся одноуглеродный фрагмент на тетрагидрофолат, образуя N^{5, N10}-метилентетрагидрофолат. (4) — белок L окисляет две -SH- группы липоевой кислоты до дисульфидной связи, (5) передавая электроны через FAD на NAD⁺ и завершая таким образом цикл. N⁵, N¹⁰-Метилентетрагидрофолат, образованный в этом процессе, используется серин-гидроксиметилтрансферазой для превращения молекулы глицина в серин, в результате регенерируется тетрагидрофолат, необходимый для реакции, катализируемой белком Т. L-Субъединица глициндекарбоксилазы идентична дигидролипоилдегидрогеназе (Е₃) пируватдегидрогеназы и α-кетоглутаратдегидрогеназы

У тропических растений первый интермедиат, в который включается ¹⁴СО₂, — четырехуглеродное соединение оксалоацетат. Эта реакция происходит в цитозоле клеток мезофилла листьев и катализируется фосфоенолпируват- карбоксилазой, субстратом для которой служит НСО₃^-, а не СО₂. Затем оксалоацетат либо восстанавливается до малата с расходом NADPH (см. рис. 20-26, б), либо превращается в аспартат в реакции трансаминирования:

Оксалоацетат + α-аминокислота —> L-аспартат + α-кетокислота

Малат или аспартат, синтезированный в клетках мезофилла, проникает в соседние клетки обкладки через плазмодесмы — образованные белками каналы, которые соединяют две растительные клетки и осуществляют движение метаболитов и даже малых белков между клетками. В клетках обкладки малат окисляется и декарбоксил ируется с образованием пирувата и СО₂ под действием NADP-зависимой декарбоксилирующей малатдегидрогеназы (иногда называемой малик-ферментом, или яблочным ферментом) с восстановлением NADP⁺. У растений, использующих аспартат в качестве переносчика СО₂, аспартат, поступивший в клетки обкладки, трансаминируется с образованием оксалоацетата и восстанавливается до малата, после чего СО₂ высвобождается малатдегидро- геназой или ФЕП-карбоксикиназой. Как показали эксперименты с образцами, меченными ¹⁴С, молекула СО₂, высвобождающаяся в клетках обкладки, — это та же самая молекула СО₂, которая изначально находилась в оксалоаце- тате в клетках мезофилла. Эта молекула СО₂ снова фиксируется, теперь с помощью рубиско, в той же самой реакции, которая происходит у С₃-растениях: происходит включение СО₂в положение С-1 молекулы 3-фосфоглицерата.

Пируват, образовавшийся при декарбокси- лировании малата в клетках обкладки, транспортируется обратно, в клетки мезофилла, где превращается в фосфоенолпируват в необычной реакции, катализируемой пируват-фосфатдикиназой (рис. б). Этот фермент называется дикиназой, потому что он, используя одну молекулу АТР, одновременно фосфорилирует две разные молекулы: пируват до фосфоенолпирувата и фосфат до пирофосфата. Впоследствии пирофосфат гидролизуется до фосфата, поэтому получается, что для регенерации фосфоенолпирувата используются две высокоэнергетические фосфатные группы АТР. Теперь этот фосфоенолпируват готов для включения следующей молекулы СО₂ в клетки мезофилла.

А)Ассимиляция углерода у С₄-растений. В растениях тропических районов преобладает С₄-путъ, проходящий в клетках мезофилла и клетках обкладки, а — электронная микрофотография, показывающая хлоропласта мезофилла и прилегающих клеток обкладки. Клетки обкладки содержат гранулы крахмала. Видны плазмодесмы, соединяющие две клетки. Б) — С₄-путь ассимиляции СO₂, который происходит с участием четырехуглеродного интермедиата.

ФЕП-карбоксилаза имеет высокое сродство к НСО_3- (который в водном окружении образуется из СО₂) и фиксирует СО₂ более эффективно, чем рубиско. В отличие от рубиско этот фермент не использует О₂ в качестве альтернативного субстрата, поэтому в этой реакции нет конкуренции между СО₂ и О₂. Таким образом, ФЕП- карбоксилазная реакция служит для фиксации СО₂ в форме малата. Высвобождением СО₂ из малата в клетках обкладки достигается высокая локальная концентрация углекислого газа для функционирования рубиско с почти максимальной скоростью и подавления ее оксигеназной активности.

В клетках обкладки СО₂ включается в 3-фосфоглицерат, поэтому другие реакции цикла Кальвина происходят так, как было описано ранее. Таким образом, у С₄-растений клетки мезофилла осуществляют ассимиляцию СО₂ по С₄- пути, а клетки обкладки синтезируют крахмал и сахарозу по С₃-пути.

В С₄-пути три фермента, которые регулируются светом, становятся более активными в дневное время суток. Малатдегидрогеназа активируется через тиоредоксин-зависимый восстановительный механизм; ФЕП-карбоксилаза активируется фосфорилированием серинового остатка; а пируват-фосфатдикиназа активируется дефосфорилированием. В последних двух случаях детали инициации светом процессов фосфорилирования или дефосфорилирования неизвестны.

У С₄-растений путь ассимиляции СО₂ энергетически более дорогой, чем у С₃-растений. На каждую молекулу СО₂, ассимилированную в С₄- пути, должна регенерироваться молекула ФЕП с затратой двух высокоэнергетических фосфатных групп АТР. Таким образом, С₄-растениям необходимо пять молекул АТР на ассимиляцию одной молекулы СО₂, в то время как С₃-растениям надо только три молекулы АТР (девять АТР на один триозофосфат). Однако при увеличении температуры (и уменьшении сродства рубиско к СО₂, как было замечено ранее) достигаются условия (около 28-30 °С), при которых выгода устранения фотодыхания значительно превосходит энергетические траты. С₄-Растения (например, сорняк росичка кровяная) в течение лета обгоняет в росте большинство С₃-растений, что может подтвердить любой опытный садовод.