Цикл Хетча — Слэка и С4-растения

С₃-цикл — основной, но не единственный путь восстановления двуокиси углерода. Так, австралийские ученые М. Д. Хетч и К. Р. Слэк в 1967 г. обнаружили, что у кукурузы, сахарного тростника, сорго и некоторых других тропических растений первичным продуктом темновой фазы является не ФГК, а оксалоацетат. Кроме того, было обнаружено, что эти растения имеют не только гранальные, но и агранальные хлоропласты. Первые расположены в клетках основной ткани мезофилла, а вторые — в паренхимных клетках, окружающих одним слоем каждый проводящий пучок. Этот слой клеток был назван обкладкой проводящего пучка (рис. 4.16).

В результате дальнейших исследований был открыт еще один цикл фотосинтеза, названный циклом Хетча — Слэка, или С₄-циклом. Последнее название связано с гем, что оксалоацетат содержит в своей молекуле четыре атома углерода.

Рис. 4.16. Особенности строения листовой пластинки у С/,-растений (кукуруза):

• 1 — устьице; 2 — воздушная полость; 3 — проводящие пучки;
• 4 — кутикула; 5 — верхняя эпидерма; 6 — моторные клетки; 7 — мезофилл;
• 8 — обкладка; 9 — паренхима

Акцептором углекислого газа в этом цикле является фосфоеиолпируват (ФЕП). В результате карбоксилирования ФЕП образуется оксалоацетат и ортофосфат:

Катализирует эту реакцию фосфоенолпируваткарбоксилаза (ФЕПкарбоксилаза). Она локализована в цитозоле или на внешней мембране хлоропласта. Следовательно, образование оксалоацетата происходит вне гранального хлоропласта. Образовавшийся оксалоацетат поступает в хлоропласт и здесь при участии НАДФН, продукта световой фазы, восстанавливается до малага (рис. 4.17):

Реакция катализируется НАДФ⁺-зависимой малатдегидрогеназой, находящейся в хлоропластах клеток мезофилла. У некоторых растений оксалоацетат превращается в аспартат с помощью аспартатаминотрансферазы:

Малат или аспартат при помощи транслокатора транспортируется из хлоропластов в цитозоль клеток мезофилла и, но плазмодесмам поступает в клетки обкладки проводящего пучка. В зависимости от того, какая кислота — малат или аспартат — транспортируется в клетки обкладки, растения делят на два типа: малатный и аспартатный.

В хлоропластах клеток обкладки эти С₄-кислоты декарбоксилируются. Декарбоксилирование у разных растений происходит с участием различных ферментов: НАДФ^f -зависимой малатдегидрогеназы (декарбоксилирующей; или Е1АДФ⁺-МДГ), НАД*-зависимой малатдегидрогеназы (декарбоксилирующей; или НАД⁺-МДГ), называемой еще малик-энзимом, и ФЕП-карбоксикиназы (ФЕП-КК). Поэтому растения делят еще на три подтипа: НАДФ⁺ -МДГ-растения, НАД⁺ -МДГ-растения и ФЕП-КК-растения.

Рис. 4.17. Реакции темновой фазы фотосинтеза, протекающие у С₄-растений в клетках мезофилла^1.

У растений малатпого типа первого подтипа в агранальных хлоропластах клеток обкладки находится НАДФ~-МДГ, с помощью которой в присутствии ионов магния или марганца происходит окислительное декарбоксилирование малата (рис. 4.18): ^[1]

Рис. 4.18. Реакции темновой фазы фотосинтеза в клетках обкладки у С₄-растений малатпого типа (группа НАДФ⁺-зависимого малик-энзима)^2.

Образовавшийся С0₂ используется для карбоксилирования РуБФ (вторичное карбоксилированиё), г. е. включается в С₃-цикл, идущий в агранальных хлоропластах клеток обкладки. РуБисКО локализована только в хлоропластах клеток обкладки. Пируват возвращается в хлоропласта клеток мезофилла, где он фосфорилируетея за счет АТФ — продукта световой фазы, что приводит к регенерации ФЕП — акцептора С0₂ — и замыканию цикла:

Эта реакция катализируется пируватфосфатдикиназой, локализованной в гранальных хлоропластах клеток мезофилла. ФЕП транспортируется из хлоропластов в цитозоль. Представителями растений этой группы являются сахарный тростник, кукуруза, сорго двухцветное, росичка кровяная.

У растений аспартатного типа подтипа ФЕП-КК аспарагиновая кислота, приходящая из клеток мезофилла в цитоплазму клеток обкладки, под влиянием аспартатаминотрансферазы превращается снова в оксалоацетат (рис. 4.19), а последний в результате АТФ-зависимого декарбоксилирования — в ФЕП. Реакцию катализирует ФЕП-карбоксикиназа, находящаяся в клетках обкладки. В дальнейшем ФЕП может превратиться в пируват, а он — в аланин. Аланин транспортируется в основные клетки мезофилла. Двуокись углерода, освобождающаяся при декарбоксилировании оксалоацетата, используется для С₃-цикла, идущего в хлоропластах клеток обкладки. Представителями растений этой группы являются просо крупное, хлорис.^[2]

Рис. 4.19. Реакции темповой фазы фотосинтеза в клетках обкладки у С₄-растений аспартатного типа (группа ФЕП-карбоксилаза)^1.

У растений этого же типа, но принадлежащих к подтипу НАД⁺-МДГ, аспарагиновая кислота из клеток мезофилла поступает в митохондрии клеток обкладки, где под действием аспартатаминотрансферазы превращается в оксалоацетат, а последний при участии малатдегидрогеназы восстанавливается в малат (рис. 4.20). НАД⁺-МДГ катализирует декарбоксилирование малата с образованием двуокиси углерода и ПВК. С0₂ транспортируется в хлоропласты клеток, а пируват — в цитозоль. Здесь ПВК превращается в аланин, который из клеток обкладки передвигается в клетки мезофилла. С0₂ используется в клетках обкладки для С₃-цикла. К этому подтипу относится просо южное, щирица колосистая, портулак огородный.

Рис. 4.20. Реакции темновой фазы фотосинтеза в клетках обкладки у С_/д-растений аспартатного типа (группа НАД-зависимого малик-энзима)^1.

Итак, для С₄-цикла характерны следующие особенности: 1) из оксалоацетата — первичного продукта — образуются малат или асиартат; 2) цикл деляг на два этапа: первый — карбоксилирование ФЕП в клетках мезофилла, второй — декарбоксилирование малата или аспартата в клетках обкладки; 3) цикл разделен в пространстве: начинается и кончается в клетках основной паренхимы мезофилла, а декарбоксилирование происходит^[2]

в клетках обкладки. В листьях С₄-растений карбоксилирование происходит дважды.

С₃— и С₄-циклы действуют совместно. Такое совместное функционирование двух циклов получило название кооперативного фотосинтеза (Карнилов, СССР, 1963). Основная функция С₄-цикла — концентрирование С0₂ для С₃-цикла. С₄-цикл является своеобразным насосом (углекислотной помпой) для С₃-цикла, с помощью которого С0₂ атмосферы переносится В С3-ЦИКЛ.

Если С₃-цикл есть у всех растений, то С₄-цикл к настоящему времени обнаружен у однодольных и двудольных наземных растений 16 семейств. Растения, у которых С0₂ восстанавливается в результате функционирования С₃— и С₄-циклов, были названы С ^-растениями. Растения, у которых функционирует только С₃-цикл, получили название С^-растений. С₄-растения — это преимущественно растения тропиков и субтропиков. Большинство самых злостных на Земле сорняков является С₄-растениями, а большинство важных сельскохозяйственных культур относится к С₃-растениям.

С₄-растения очень урожайны; в условиях засухи и высоких температур фотосинтез у них идет с достаточно высокой интенсивностью. Последнее отчасти можно объяснить быстрым оттоком продуктов фотосинтеза из листьев. Недостатком С₄-растепий является их теплолюбивость, что ограничивает ареал распространения. В неблагоприятных условиях у некоторых С₃-растений начинает работать и С₄-цикл.

У С₄-растений более активными являются ФЕП-карбоксилаза, малатдегидрогеназа и асиартатаминотрансфераза, а у С₃-растений — РуБФкарбоксилаза (табл. 4.3). Кроме того, ФЕП-карбоксилаза может фиксировать двуокись углерода при гораздо более низких ее концентрациях, чем это делает РуБФ-карбоксилаза. Благодаря функционированию углекислотной помпы (С₄-цикла) концентрация С0₂ в клетках обкладки, где идет С₃-цикл, в несколько раз больше, чем в окружающей среде. Это очень важно, так как С₄-растения живут в условиях повышенных температур, когда растворимость С0₂ значительно снижена.

Таблица 4.3

Сравнительная активность ферментов, рм/мг хлорофилла-мин^[4]

Ранее говорилось, что С₄-растения отличаются от С₃-растений и по анатомии листовой пластинки (см. рис. 4.11). У С₄-растений листовая пластинка содержит большое количество проводящих пучков, что помогает быстрому оттоку продуктов фотосинтеза из листа. Каждый проводящий.

пучок окружен одним слоем крупных клеток хлорофиллоносной паренхимы, образующих обкладку проводящего пучка. Паренхимная обкладка отделяет проводящий пучок от других клеток мезофилла. Обкладка, в свою очередь, окружена одним или несколькими слоями мелких паренхимных клеток мезофилла, между которыми имеются маленькие межклетники. Между клетками обкладки межклетников нет. Поскольку обкладка и паренхимные клетки основной ткани мезофилла образуют концентрические круги вокруг проводящего пучка, хорошо видимые в микроскоп на поперечных срезах, то такое строение получило название крапцанатомии (от нем. Kranz — корона), а сами клетки обкладки иногда называют еще кранц-клетками. Впервые они были обнаружены Ф. Габерландтом (Германия) в 1884 г.

Фотосинтез идет в основных клетках мезофилла и в клетках обкладки, которые содержат разные хлоропласты: в клетках мезофилла находятся гранальные хлоропласты, в клетках обкладки — более крупные агранальные хлоропласты, часто наполненные крахмальными зернами. Из клеток мезофилла в клетки обкладки проходит большое количество плазмодесм.

Оба типа хлоропластов отличаются и по характеру протекающих в них реакций фотосинтеза. В гранальных хлоропластах основных клеток мезофилла происходит первичное карбоксилирование ФЕИ и его регенерация из ПВК или аланина, т. е. здесь начинается и кончается С₄-цикл. В агранальных хлоропластах клеток обкладки идет декарбоксилирование С₄-кислот и С₃-цикл.

Со временем в стенках некоторых клеток обкладки откладывается суберин. Суберин затрудняет утечку С0₂ через клеточные стенки, так что остается возможность его утечки только через плазмодесмы. У разных видов растений от 10 до 30% С0₂, сконцентрированного в клетках обкладки, может диффундировать в клетки мезофилла.

В 2002 г. немецкому исследователю Ф. Габерландту удалось обнаружить в семействе маревых виды, у которых нет деления клеток на клетки основной паренхимы мезофилла и клетки обкладки (без кранц-анатомии), хотя у них идет С₄-цикл. У этих растений в однотипных удлиненных клетках цитоплазма па периферическом конце обогащена ФЕП-карбоксилазой, а на проксимальном конце расположены хлоропласты, содержащие РуБисКО.

Кроме выполнения роли углекислотной помпы, С₄-цикл имеет и другое значение. Для восстановления ФГК в С₃-цикле нужны АТФ и НАДФ11. Агранальные же хлоропласты клеток обкладки содержат лишь фотосистему I, поэтому в них возможно только циклическое фотофосфорилирование. Следовательно, в этих клетках НАДФ не восстанавливается. У С₄-растений в хлоропластах клеток обкладки фотосистема I активнее, чем у С₃-растений, поэтому у них циклический транспорт электронов и связанное с ним фосфорилирование АДФ идут быстрее. Гранальные хлоропласты основных клеток мезофилла содержат обе фотосистемы, поэтому в них идет циклическое и нециклическое фотофосфорилировапие с образованием АТФ и НАДФН. Когда малат из мезофилльных клеток поступает в клетки обкладки и там декарбоксилируется, одновременно восстанавливается НАДФ⁺, необходимый для восстанавления ФГК.

Таким образом, С₄-цикл поставляет в С₃-цикл и водород для восстановления двуокиси углерода. Для нормального течения темновой фазы фотосинтеза необходимы строгая координация скоростей С₃— и С₄-циклов и быстрый отток ассимилятов из фотосинтезирующих клеток. Благодаря механизму концентрирования С0₂ у С₄-растений РуБисКО может обеспечить реакцию е субстратом даже в случае нехватки воды, а следовательно, при закрытых для снижения транспирации устьицах или при интенсивном освещении, когда устьица полностью открыты, а С0₂ не хватает.

Эволюционно С₃-цикл возник раньте, чем С₄-цикл. У древесных, более старой жизненной формы, С₄-цикл не обнаружен. Подсчитано, что около 17% всех посевных площадей занято С₄-растениями и они осуществляют около 30% глобального фотосинтеза.

• [1] Цит. но: Hatch М. DSlack С. R. Photosynthetic C02-fixation pathways // Ann. Rev. PlantPhysiol. 1970. V. 21. P. 141−162. 2 Цит. no: Ibid.
• [2] Цит. по: Hatch М. D., Slack С. R. Photosynthetic C02-fixation pathways.
• [3] Цит. по: Hatch М. D., Slack С. R. Photosynthetic C02-fixation pathways.
• [4] 2 Цит. по: Беликов П. С., Дмитриева Г. А. Физиология растений.