Фотосинтез С3 и С4 растений механизмы и регуляция - Эдвардс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
В работах-Кальвина и Бенсона, выполненных в сороковые годы, было показано, что основным начальным продуктом фотосинтеза у Chlorella и Scenedesmus и ряда высших растений является ФГК (гл. 6). Еще в ранних исследованиях фотосинтеза у водорослей было обнаружено, что малат тоже относится к ранним продуктам фотосинтеза. Когда Chlorella и Scenedesmus помещали на несколько секунд в атмосферу иС02, то основным меченым продуктом была ФГК, но при этом небольшое количество метки регистрировали и в составе малата и гликолата. Эти наблюдения позволили в 50-х годах Бенсону и Кальвину, а также Гаффрону и Фагеру и Очоа предложить ряд схем, описываю-
(ФГК) С, •
с
к
¦ф. C'i {оксалоацигот,
М«1Пс1Т, сукцинат}
7Сг <*------------
Рис. 10.2. Гипотетическая схема двойного карбоксилирования, предлагавшаяся в пятидесятые годы ([3J; см. также Bassham et al., I960).
щих циклы фиксации СО2, которые включали в себя С2- и Q-промежуточиые продукты и, как неизбежное следствие этого, два отдельных акта карбоксилирования. В них рассматривалась также возможность непосредственного участия в данных циклах таких С/гКислот, как оксалоацетат, малат и «сукцннат (рис. 10.2). Наиболее важной особенностью всех этих схем были две реакции карбоксилирования в ходе цикла, каждая из которых вносила свою лепту в суммарную фиксацию СОг, Как будет рассмотрено ниже, у С^-растений действительно имеются два этапа карбоксилирования, но к суммарной, или реальной, фиксации С02 приводит только та реакция карбоксилирования, которая идет через РуБФ. В ранних работах со Scenedestnus Бассэм и др. (Bassham et al,, 1950) установили, что отравление растений малонатом влечет за собой сильное ингибирование образования малата, но слабо влияет на включение иС02 в ФГК. Именно поэтому малат и рассматривали не как промежуточный продукт данного первичного пути ассимиляции углерода, ‘а как вторичный продукт фиксации С02. Механизм действия малоната был неизвестен, однако было показано, что малопат ингибирует сукцииатдегидрогеназу, а еще позднее, что таким же образом он действует на ФЕП-карбоксилазу. В отличие от этих данных, полученных на водорослях, Коршак и др. обнаружили, что у растений сахарного тростника малонат сильно ингибирует фотосинтез, образование малата и синтез ФГК. Это заставляло предполагать, что для синтеза ФГК необходимо предварительное образование малата.
Кальвин и др., работая со Scenedestnus, тоже заметили, что при очень низкой интенсивности света (45 фут-свечей) основным первичным продуктом фиксации С02 является малат, а основным вторичным продуктом— сахароза. К этому времени уже было доказано, что малат — это первичный продукт темновой фиксации С02. Поэтому реальная фиксация С02 у водорослей при очень низкой интенсивности света могла быть результатом
наложения двух процессов: световой и темповой фиксации.
В это же время Фагер и Гаффрон отметили, что такой процесс может быть вторичным и не связанным с механизмом фотосинтеза.
У Сз-растений первичное включение атмосферной СО2 происходит с участием РуБФ-карбоксилазы (гл. 6). В листьях Сз-растений в Сч-кислоты включается только небольшая доля (не более 5%) связанной СОг. Малат может образовываться в результате вторичного карбоксилирования, следующего за реакцией, катализируемой РуБФ-карбоксилазой '[уравнения (10.1— 10.5)], или из ФЕП, появляющегося в ходе гликолиза.
РуБФ4-С02 ----->¦ 2(3-ФГК) (РуБФ-карбоксилаза) (Ю-1)
3-ФГК ----> 2-ФГК (3-фосфоглицеромутаза) (10.2)
2-ФГК ----> ФЕП (еиолаза) (10.3)
ФЕП НС03_ ------->¦ Оксалоадетат Р; (ФЕП-карбоксилаьа) (10.4)
Оксалоацетат NAD(P)H 4- Н+------->-
---->- Малат NAD(P) + [МАО(Р)Н-малатдегидрогеназа] (10.5)
Источники данных; [4, 12, 25, 36].
10.2. Вклад Хэтча и Слэка
в проблему С4-фотосинтеза
Необычайно высокое включение меченой 14С02 в ,малат и аспартат в листьях сахарного тростника очень заинтриговало Коршака, и он убедил австралийских ученых Хэтча и Слэка заняться изучением биохимических аспектов этого явления. За 4 года работы Хэтч, Слэк и Джонсон внесли очень большой вклад в исследуемую проблему. Они, во-первых, провели опыты по разбавлению импульсной метки у сахарного тростника, во-вторых, идентифицировали ряд ферментов С^-пути, в-третьих, получили предварительные доказательства того, что у кукурузы некоторые ферменты по-разному распределены между хлоропластами; /мезофилла и хлоропластами обкладки проводящих пучков, и, в-четвертых, выявили несколько других видов растений, у которых характер включения метки был точно таким же, как у сахарного тростника.
В опытах по разбавлению импульсной метки создавали такое освещение, которое позволяло растениям достичь равновесного состояния фотосинтеза в нормальных условиях (т, е. в присутствии атмосферной 12С02). Затем в течение определенного промежутка времени (в данном случае в течение нескольких секунд) проводили импульсное включение 14С02, после чего растение немедленно переносили в нормальные условия (атмосферная 12С02). Через определенные интервалы после инкубации с, ИС02, т. е. в процессе разбавления метки в атмосфере 12С02, отбирали
