Растения с путем фотосинтеза С4

С4-путь фотосинтеза (цикл Хетча — Слэка)

Исследования показали, что в растениях, в которых процесс фотосинтеза протекает по С4-пути, имеются два типа клеток и хлоропластов:

1) мелкие гранальные пластиды в клетках мезофилла листа;

2) крупные пластиды, часто лишенные гран, в клетках обкладки, окружающих сосудистые пучки.

Клетки обкладки имеют утолщенные клеточные стенки, содержат большое количество хлоропластов и митохондрий, расположены вокруг сосудистых пучков в 1 или 2 слоя. Совокупность указанных особенностей анатомического строения получила название корончатой анатомии или корончатого синдрома (от слова kranz — корона). Хлоропласты разных типов клеток характеризуются не только особенностями строения, но и разным типам фосфорилирования. В клетках мезофилла по преимуществу происходит нециклическое фосфорилирование и образуется НАДФН, необходимый для цикла Кальвина, идущего в клетках обкладки. В хлоропластах клеток обкладки идет только циклическое фосфорилирование. Такое разделение типов фосфорилирования, возможно, связано с тем, что к хлоропластам клеток обкладки, расположенным в глубине листа, проникает по преимуществу более длинноволновый свет, который не поглощается фотосистемой, ответственной за разложение Н20. На первом этапе С4-пути углекислый газ, диффундирующий в лист через устьица, попадает в цитоплазму клеток мезофилла с мелкими хлоропластами, в которых и происходит реакция карбоксилирования фосфоенолпировиноградной кислоты (феп):

Реакция катализируется ферментом фосфоенолпируваткарбоксилазой (фепкарбоксилазой) с образованием щавелевоуксусной кислоты (оксалоацетат). ЩУК преобразуется в яблочную кислоту (малат) или аспарагиновую (аспартат). Восстановление до маната происходит в присутствии НАДФН, а для образования аспартата необходимо наличие NH 4+ . Затем яблочная (или аспарагиновая) кислота, по-видимому, по плазмодесмам передвигается в клетки обкладки. В клетках обкладки яблочная кислота декарбоксилируется ферментом малатдегидрогеназой до пировиноградной кислоты (пируват) и С02. Реакция декарбоксилирования может варьировать у разных групп растений с использованием разных ферментов. С02 поступает в хлоропласты клеток обкладки и включается в цикл Кальвина—присоединяется к РБФ. Пируват возвращается в клетки мезофилла и превращается в первичный акцептор С02 — ФЕП. Таким образом, при С4-пути реакция карбоксилирования происходит дважды. Это позволяет растению создавать запасы углерода в клетках. Акцепторы С02 (ФЕП и РБФ) регенерируют, что и создает возможность непрерывного функционирования циклов. Фиксация С02 с участием ФЕП и образованием малата или аспартата служит своеобразным насосом для поставки С02 в хлоропласты обкладки, функционирующих по С3-пути. Поскольку при таком механизме фотосинтеза принимают участие два типа клеток и два типа хлоропластов, этот путь называют еще кооперативным (Ю.С. Карпилов, 1970). Высказывается мнение, что С4-путь возник в процессе эволюции как приспособление к изменившимся условиям среды. При возникновении фотосинтеза атмосфера была значительно богаче С02 и беднее 02. Именно поэтому важнейший фермент цикла Кальвина Rubisco (РБФ-карбоксилаза/оксигеназа) может работать только при сравнительно высоких концентрациях С02. Благодаря деятельности самих растений состав атмосферы изменился: содержание С02 резко уменьшилось, а 02 возросло. В изменившихся условиях в осуществлении темновых реакций фотосинтеза появился ряд приспособительных черт. В частности значительно увеличилось содержание фермента Rubisco, который составляет почти половину белков стромы хлоропластов. Вместе с тем у некоторых растений выработался особый, дополнительный путь связывания С02 с помощью ФЕП-карбоксилазы. Этот фермент обладает большим сродством к углекислоте и работает при концентрациях С02 во много раз более низких по сравнению с Rubisco. Установлено, что и сопротивление мезофилла диффузии С02 у С4-растений более чем в 3,5 раз меньше и составляет 0,3—0,8 см/с, в то время как у С3 — растений — 2,8 см/с.

Фиксация по С4-пути имеет еще ряд преимуществ. Растения С3-пути характеризуются высокой интенсивностью процесса, получившего название фотодыхания. Под фотодыханием понимают поглощение кислорода и выделение С02 на свету с использованием в качестве субстрата промежуточных продуктов цикла Кальвина. Как показали исследования, Rubisco (РБФ-карбоксилаза/оксигеназа) имеет двойственную функцию и может катализировать не только реакцию карбоксилирования цикла Кальвина: РБФ + С02 —> 2ФГК. Rubisco способна реагировать с 02, осуществляя оксигеназную реакцию, при этом образуется фосфогликолевая кислота:

РБФ + 02 -> ФГК + фосфогликолевая кислота.

Фосфогликолевая кислота через ряд превращений распадается с выделением С02. Таким образом, при фотодыхании часть промежуточных продуктов фотосинтеза теряется за счет выделения С02. Реакции окисления и карбоксилирования конкурируют друг с другом, а осуществление Rubisco карбоксилазной или оксигеназной функции зависит от содержания 02 и С02. Фотодыхание требует повышенной концентрации 02. Между тем, как уже упоминалось, в хлоропластах клеток обкладки концентрация 02 понижена, так как в них происходит только циклическое фосфорилирование, при котором вода не разлагается и 02 не выделяется. Вместе с тем в клетках обкладки повышена концентрация С02. Такие условия ингибируют процесс фотодыхания в клетках обкладки и поэтому растения С4-типа характеризуются очень низкой потерей С02 в результате фотодыхания.

Потери на фотодыхание у С3-растений особенно возрастают при повышении температуры и освещенности. В этой связи понятно, что растения С4 — это, главным образом, южные и даже тропические, которые получают дополнительные преимущества в смысле продуктивности фотосинтеза. Оптимум температуры для фотосинтеза у С3-растений 20—25°С, тогда как у растений С4 30—45°С. Светонасыщение фотосинтеза С4-растений также происходит при более высоких значениях интенсивности света, чем у С3-растений. Так, у растений С3-пути интенсивность фотосинтеза перестает увеличиваться при 50% от полного солнечного освещения, в то время как у С4-форм этого не происходит. Такие особенности С4-растений объясняют высокую интенсивность фотосинтеза при повышенных температуре и освещенности. Характерным признаком растений С4-пути является, наконец, то, что образование продуктов цикла Кальвина происходит в хлоропластах, расположенных непосредственно около проводящих пучков. Это благоприятствует оттоку ассимилятов и, как следствие, повышает интенсивность фотосинтеза. Различия между С3– и С4-растениями можно продемонстрировать, поместив их рядом в одной камере (например, кукурузу и бобы) при высокой температуре и освещенности. Окажется, что С02, выделяясь в процессе дыхания, постепенно переходит к кукурузе и соответственно изменяет темпы ее роста. Кукуруза как бы «съедает» растения бобов.

Показано, что С3-растения ассимилируют С02 на полном солнечном свету со скоростью 1—50 мг/дм 2 ч, а С4-растения — со скоростью 40—80 мг/дм 2 ч. Кукуруза, сорго, просо, сахарный тростник являются одними из наиболее продуктивных культур. Так, интенсивность фотосинтеза у кукурузы 85 мг С02/дм 2 ч, сорго — 55 мг С02/дм 2 ч, тогда как у пшеницы всего 31 мг С02/дм 2 ч. Высокая потенциальная продуктивность С4-растений наиболее полно реализуется при полном солнечном освещении и высокой температуре. Важной физиологической особенностью С4-растений является их высокая засухо- и термоустойчивость. По мнению ряда исследователей возникновению С4-пути фотосинтеза способствовали засушливые условия окружающей среды. Уже отмечалось, что пространственное разделение процессов позволяет растениям с С4-путем фотосинтеза осуществлять фиксацию углекислоты даже при относительно закрытых устьицах, поскольку хлоропласты клеток обкладки используют С02, накопленный в виде доноров С02 (малат или аспартат). Известно, что закрывание устьиц на наиболее жаркое время дня сокращает потери воды за счет транспирации. Вместе с тем С4-растения отличаются более экономным расходованием воды. Если С3-растения расходуют на образование 1 г сухого вещества 700—1000 г воды, то С4-растения — 300—400 г. Главной причиной пониженного расхода воды С4-растениями является то, что их устьица оказывают высокое сопротивление диффузии газов. При подвядании листьев и закрытии устьиц это сопротивление многократно возрастает для паров воды и в меньшей степени для С02. Низкая величина сопротивления диффузии клеток мезофилла для С02 у С4-растений при более высоком сопротивлении устьиц для Н20 благоприятствует повышению интенсивности фотосинтеза при пониженной транспирации. Понятно поэтому, что С4-растения имеют преимущество перед С3-растениями в засушливых местах обитания благодаря высокой интенсивности фотосинтеза даже при закрытых устьицах. Кроме того, им практически не угрожает опасность перегрева листьев, что связано с высокой термоустойчивостью. Показана солеустойчивость некоторых видов С4-растений, например, амаранта, и возможность их применения для фитомелиоративных целей.

Исследования показали, что в растениях, в которых процесс фотосинтеза протекает по С4-пути, имеются два типа клеток и хлоропластов:

Путь Хэтча-Слэка

Путь Хэтча—Слэка предназначен для транспортировки диоксида углерода и водорода из клеток мезофилла в клетки обкладки проводящих пучков. Из клеток обкладки проводящих пучков диоксид углерода высвобождается и поступает в обычный С3-путь фотосинтетических превращений.

У С4-растений листья имеют характерную особенность строения: вокруг каждого проводящего пучка у них расположены два ряда клеток. У клеток внутреннего кольца — обкладки проводящего пучка — хлоропласты по своей форме отличаются от хлоропластов клеток мезофилла внешнего кольца. Различие в строении хлоро-пластов у С4-растений получило название диморфизма (наличие двух форм). На рисeyrt, Ли Б показана так называемая «кранц-анатомия» (Kranz — корона, ореол; таким образом описываются те два ряда клеток, которые окружают проводящие пучки и имеют в сечении вид двух колец). Биохимические превращения, протекающие в этих клетках, описаны ниже; см. также рис. 7.22.

Определение пути С3 или цикла Кальвина.

Растения С3 известны как растения холодного сезона или умеренные . Они лучше всего растут при оптимальной температуре от 65 до 75 ° F с температурой почвы, подходящей на уровне 40-45 ° F. Эти типы растений демонстрируют меньшую эффективность при высокой температуре .

Основным продуктом растений C3 является 3-углеродная кислота или 3-фосфоглицериновая кислота (PGA) . Это считается первым продуктом при фиксации углекислого газа. Путь C3 проходит в три этапа: карбоксилирование, восстановление и регенерация.

Растения С3 превращаются в СО2 непосредственно в хлоропласте. С помощью рибулозобифосфаткарбоксилазы (RuBPcase) получают две молекулы 3-углеродной кислоты или 3-фосфоглицериновой кислоты . Этот 3-фосфоглицерик оправдывает название пути как C3.

На другом этапе NADPH и ATP фосфорилируют с получением 3-PGA и глюкозы. И затем цикл снова начинается с регенерации RuBP.

Путь C3 является одностадийным процессом, происходящим в хлоропласте. Эта органелла действует как хранилище солнечной энергии. Из общего количества растений, присутствующих на земле, 85 процентов используют этот путь для производства энергии.

Растения С3 могут быть многолетними или однолетними. Они очень белковые, чем растения C4. Примерами однолетних растений С3 являются пшеница, овес и рожь, а многолетние растения включают в себя феску, райграс и фруктовый сад. Растения С3 содержат больше белка, чем растения С4.

На другом этапе NADPH и ATP фосфорилируют с получением 3-PGA и глюкозы. И затем цикл снова начинается с регенерации RuBP.

9.8.2. С4-фотосинтез

В 1965 г. было показано, что у одного из тропических растений – сахарного тростника – первыми продуктами фотосинтеза, по-видимому, являются кислоты, содержащие четыре атома углерода (яблочная, щавелевоуксусная и аспарагиновая), а не С3-кислота (фосфоглицериновая), как у хлореллы и у большинства растений умеренной зоны. С тех пор было выявлено много других растений, главным образом тропических (и в том числе имеющих важное хозяйственное значение), у которых наблюдалась точно такая же картина; они были названы С4-растениями. Из однодольных к ним принадлежат, например, кукуруза (Zed), сорго (Sorghum), сахарный тростник (Sacchamm), просо (Eleusine), а из двудольных – Amaranthus и некоторые виды Euphorbia. Растения, у которых первым продуктом фотосинтеза является С3-кислота (ФГК), называют С3-растениями. Биохимию именно таких растений мы до сих пор и рассматривали в этой главе.

В 1966 г. австралийские исследователи Хэтч и Слэк показали, что С4-растения гораздо эффективнее поглощают двуокись углерода, чем С3-растения: в экспериментальной камере они снижали концентрацию СО2 в газовой фазе до 0,1 ч. на млн., а С3-растения-только до 50-100 ч. на млн. Это говорит о том, что у С4-растений низкая углекислотная точка компенсации. У таких растений практически незаметно фото дыхание.

Этот новый путь превращений углерода у С4-растений называют путем Хэтча-Слэка. Хотя этот процесс несколько различен у разных видов, мы рассмотрим, как он идет у типичного С4-растения – кукурузы. Для С4-растений характерно особое анатомическое строение листа: все проводящие пучки у них окружены двойным слоем клеток. Хлоропласты клеток внутреннего слоя – обкладки проводящего пучка – отличаются по форме от хлоропластов в клетках мезофилла, из которых состоит наружный слой (диморфизм хлоропластов). На рис. 9.29, А и Б показано, как выглядит эта так называемая “кранц-анатомия” (от нем. Kranz – корона, венец, кольцо; при этом имеются в виду два клеточных слоя, на срезе имеющие вид колец). Ниже мы рассмотрим биохимические реакции С4-пути (см. рис. 9.30).


Рис. 9.29. А. ‘Кранц-анатомия’, характерная для С4-растений. Микрофотография поперечного среза листа росички кроваво-красной (Digitaria sanguinalis), демонстрирующая диморфизм хлоропласте в клетках мезофилла и клетках обкладки проводящих пучков. В клетках мезофилла видны многочисленные граны, а в клетках обкладки проводящих пучков содержатся только отдельные рудиментарные граны. В обоих случаях видны зерна крахмала, × 4000. Б. Электронная микрофотография листа кукурузы. В клетках мезофилла и в клетках обкладки проводящих пучков видны хлоропласты двух типов, × 9900


Рис. 9.30. Упрощенная схема С4-пути, сопряженного с фиксацией двуокиси углерода. Показано, как двуокись углерода попадает из воздуха в клетки обкладки проводящих пучков и как происходит ее окончательная фиксация в составе С3-кислоты – ФГК

Рис. 9.29. А. ‘Кранц-анатомия’, характерная для С4-растений. Микрофотография поперечного среза листа росички кроваво-красной (Digitaria sanguinalis), демонстрирующая диморфизм хлоропласте в клетках мезофилла и клетках обкладки проводящих пучков. В клетках мезофилла видны многочисленные граны, а в клетках обкладки проводящих пучков содержатся только отдельные рудиментарные граны. В обоих случаях видны зерна крахмала, × 4000. Б. Электронная микрофотография листа кукурузы. В клетках мезофилла и в клетках обкладки проводящих пучков видны хлоропласты двух типов, × 9900

Растения с путем фотосинтеза С4

* ( От нем. Kranz – корона. – Прим. ред.)

С-4 путь темновой фазы фотосинтеза. Особенности красуляции как приспособление к экстремальным условиям обитания

Путь С4 получил свое название, т.к. в темновой фазе первичным продуктом фиксации СО2 в этом случае является органическое соединение не с тремя, а с четырьмя атомами углерода (щавелевоуксусная кислота). Таким типом фотосинтеза обладают тропические растения жарких стран, например, бромелиевые. Было давно замечено, что эти растения усваивают СО2 намного лучше С3 растений. В анатомической структуре листьев С4-растений, наряду с нормальными обычными хлоропластами, вокруг сосудистых пучков у них имеются особый вид очень плотных хлоропластов почти без тилакоидов, но наполненных крахмалом. Эти хлоропласты назвали обкладочными.

Читайте также:  Эпипремнум золотистый (Сциндапсус золотистый): описание и фото

В обычных хлоропластах у С4 растений, как и положено, протекает световая фаза фотосинтеза, а также происходит фиксация СО2 , но при этом образуется щавелевоуксусная кислота. Такая щавелевоуксусная кислота превращается в яблочную, которая поступает в обкладочные хлоропласты, где сразу расщепляется с выделением СО2. А дальше все идет, как и у нормальных С3 растений. При этом концентрация СО2 в обкладочных хлоропластах в результате становится значительно выше, чем у С3 растений, а очень плотное расположение этих хлоропластов обеспечивает то, что кислорода к ним почти не поступает, межклетников-то нет. Поэтому, раз нет кислорода, а углекислого газа сколько хочешь, фотодыхание не наступает.

Таким образом, у С4 растений и фиксация СО2 происходит более эффективно в виде других соединений, и образование сахаров осуществляется в особых хлоропластах, в результате чего сокращается интенсивность фотодыхания и связанных с ним потерь.

С4 растения могут захлопнуть свои устьица в жару, и не терять такой драгоценной влаги. У них обычно накоплено достаточно СО2 в виде яблочной кислоты.

27. Фотодыхание: биохимические реакции, их локализация. Физиологическая роль фотодыхания.

Фотодыхание – это активируемый светом процесс выделения СО2 и поглощения О2. Первичным продуктом фотодыхания является гликолевая кислота. Фотодыхание усиливается при низком содержании СО2 и высокой концентрации О2 в воздухе. В этих условиях рибулозодисфаткарбоксилаза хлоропластов катализирует не карбоксилирование рибулозо-1,5-дифосфата, а его расщепление на 3-фосфоглицериновую и 2-фосфогликолевую кислоты. Последняя дефосфорилируется с образованием гликолевой кислоты.

Гликолевая кислота из хлоропласта переходит в пероксисому, где окисляется до глиоксиловой кислоты. Глиоксиловая кислота аминируется, превращаясь в глицин. Глицин транспортируется в митохондрию, где из двух молекул глицина синтезируется серин и освобождается СО2.

Серин может поступать в пероксисому и передает аминогруппу на пировиноградную кислоту с образованием аланина, а сам превращается в гидроксипировиноградную кислоту. Последняя при участии НАДФН восстанавливается в глицериновую кислоту. Она переходит в хлоропласты, где включается в цикл Кальвина

У растений С4-типа выделяющийся при фотодыхании углекислый газ реагирует в клетках мезофилла с фосфоэнолпировиноградной кислотой с образованием щавелевоуксусной и яблочной кислот. Яблочная кислота переходит в клетки обкладки, где служит донором СО2. Растения С3-пути характеризуются высокой интенсивностью фотодыхания. Фосфогликолевая кислота через ряд превращений распадается с выделением С02. Таким образом, при фотодыхании часть промежуточных продуктов фотосинтеза теряется за счет выделения С02. Реакции окисления и карбоксилирования конкурируют друг с другом, а осуществление карбоксилазной или оксигеназной функции зависит от содержания 02 и С02

Фотодыхание снижает эффективность фотосинтеза, приводит к потерям ассимилированного углерода, однако имеет некоторое синтетическое значение. На ранних этапах развития жизни, когда в атмосфере было мало кислорода, рубиско заняло ключевую позицию в фотосинтезе, и ее оксигеназная функция не доставляла проблем. По мере увеличения содержания кислорода потери на фотодыхание нарастали, и у ряда растений возникли механизмы активной доставки к месту работы рубиско углекислого газа (см. C4 и CAM-фотосинтез), увеличивающее долю её карбоксилазной активности до 100%.

В обычных хлоропластах у С4 растений, как и положено, протекает световая фаза фотосинтеза, а также происходит фиксация СО2 , но при этом образуется щавелевоуксусная кислота. Такая щавелевоуксусная кислота превращается в яблочную, которая поступает в обкладочные хлоропласты, где сразу расщепляется с выделением СО2. А дальше все идет, как и у нормальных С3 растений. При этом концентрация СО2 в обкладочных хлоропластах в результате становится значительно выше, чем у С3 растений, а очень плотное расположение этих хлоропластов обеспечивает то, что кислорода к ним почти не поступает, межклетников-то нет. Поэтому, раз нет кислорода, а углекислого газа сколько хочешь, фотодыхание не наступает.

15. Фотосинтетический цикл усвоения углекислого газа по С4-пути. САМ-метаболизм

С4-путь фотосинтеза (цикл Хетча — Слэка)

Исследования показали, что в растениях, в которых процесс фотосинтеза протекает по С4-пути, имеются два типа клеток и хлоропластов:

  • мелкие гранальные пластиды в клетках мезофилла листа;
  • крупные пластиды, часто лишенные гран, в клетках обкладки, окружающих сосудистые пучки.

Клетки обкладки имеют утолщенные клеточные стенки, содержат большое количество хлоропластов и митохондрий, расположены вокруг сосудистых пучков в 1 или 2 слоя. Совокупность указанных особенностей анатомического строения получила название корончатой анатомии или корончатого синдрома. Хлоропласты разных типов клеток характеризуются не только особенностями строения, но и разным типам фосфорилирования. В клетках мезофилла по преимуществу происходит нециклическое фосфорилирование и образуется НАДФН, необходимый для цикла Кальвина, идущего в клетках обкладки. В хлоропластах клеток обкладки идет только циклическое фосфорилирование. Такое разделение типов фосфорилирования, возможно, связано с тем, что к хлоропластам клеток обкладки, расположенным в глубине листа, проникает по преимуществу более длинноволновый свет, который не поглощается фотосистемой, ответственной за разложение Н20.

На первом этапе С4-пути углекислый газ, диффундирующий в лист через устьица, попадает в цитоплазму клеток мезофилла с мелкими хлоропластами, в которых и происходит реакция карбоксилирования фосфоенолпировиноградной кислоты (феп):

Реакция катализируется ферментом фосфоенолпируваткарбоксилазой (фепкарбоксилазой) с образованием щавелевоуксусной кислоты (оксалоацетат). ЩУК преобразуется в яблочную кислоту (малат) или аспарагиновую (аспартат). Восстановление до маната происходит в присутствии НАДФН, а для образования аспартата необходимо наличие NH4+. Затем яблочная (или аспарагиновая) кислота, по-видимому, по плазмодесмам передвигается в клетки обкладки. В клетках обкладки яблочная кислота декарбоксилируется ферментом малатдегидрогеназой до пировиноградной кислоты (пируват) и С02. Реакция декарбоксилирования может варьировать у разных групп растений с использованием разных ферментов.

С02 поступает в хлоропласты клеток обкладки и включается в цикл Кальвина—присоединяется к РБФ. Пируват возвращается в клетки мезофилла и превращается в первичный акцептор С02 — ФЕП. Таким образом, при С4-пути реакция карбоксилирования происходит дважды. Это позволяет растению создавать запасы углерода в клетках. Акцепторы С02 (ФЕП и РБФ) регенерируют, что и создает возможность непрерывного функционирования циклов. Фиксация С02 с участием ФЕП и образованием малата или аспартата служит своеобразным насосом для поставки С02 в хлоропласты обкладки, функционирующих по С3-пути. Поскольку при таком механизме фотосинтеза принимают участие два типа клеток и два типа хлоропластов, этот путь называют еще кооперативным. Важнейший фермент цикла Кальвина Rubisco (РБФ-карбоксилаза/оксигеназа) может работать только при сравнительно высоких концентрациях С02. Благодаря деятельности самих растений состав атмосферы изменился: содержание С02 резко уменьшилось, а 02 возросло. В изменившихся условиях в осуществлении темновых реакций фотосинтеза появился ряд приспособительных черт. В частности, значительно увеличилось содержание фермента Rubisco, который составляет почти половину белков стромы хлоропластов. Вместе с тем у некоторых растений выработался особый, дополнительный путь связывания С02 с помощью ФЕП-карбоксилазы. Этот фермент обладает большим сродством к углекислоте и работает при концентрациях С02 во много раз более низких по сравнению с Rubisco.

Существует еще одна группа растений, имеющая особенности в осуществлении первичной фиксации С02. Это суккуленты, в частности кактусы и растения семейства Толстянковые (Crassulaceae). Поэтому этот тип фотосинтеза получил название Crassulaceae acid metabolism или САМ-метаболизм (САМ-путь). При функционировании САМ-пути устьица растений закрыты днем, когда интенсивность транспирации максимальна, и открыты ночью, когда потери воды ми­нимальны. Это предохраняет растения от излишней потери воды, повышает их устойчивость к засухе. Химизм фиксации С02 при САМ-пути сходен с С4-путем, однако если у С4-растений фотосинтез разделен в пространстве, то при САМ-пути — во времени. У САМ-растений фиксация С02 происходит в ночное время, когда устьица открыты. С02 поступает в клетки листа и в цитоплазме при участии ФЕП-карбоксилазы присоединяется к фосфоенолпировиноградной кислоте (ФЕП) с образованием органических кислот (щавелевоуксусной кислоты). ЩУК восстанавливается до яблочной кислоты, которая накапливается в вакуолях клеток листа. Реакция идет при участии фермента малатдегидрогеназы (малик-фермент). Днем на свету, когда устьица закрыты, яблочная кислота транспортируется из вакуолей в цитоплазму, где происходит декарбоксилирование ЩУК с образованием С02 и пировиноградной кислоты. С02 передвигается в хлоропласта и с помощью РБФ-карбоксилазы/оксигеназы вступает в цикл Кальвина. Таким образом, в клетках этих растений содержится как ФЕП-карбоксилаза, так и РБФ-карбоксилаза/оксигеназа. Синтезируемые в дневные часы в цикле Кальвина углеводы используются как источники метаболитов (например, ФЕП), необходимых для повторения цикла.

Осуществление фотосинтеза по такому пути позволяет растениям:

  • максимально экономить воду,
  • поддерживать процесс фотосинтеза в условиях острого водного дефицита.

Однако САМ-путь не может обеспечить высокой продуктивности растений, поэтому данные растения медленно растут и не могут конкурировать с С3- и С4-растениями при менее экстремальных условиях. Возможна смена путей фиксации С02. При достаточном количестве воды растения с САМ-метаболизмом могут переходить на С3-путь. Так, показана способность Mesembryanthemum crystallinum L. (хрустальная травка) менять направленность метаболических процессов, переходя с С3-пути фотосинтеза на САМ в условиях действия различных стрессоров: водного, солевого, температурного.

  • мелкие гранальные пластиды в клетках мезофилла листа;
  • крупные пластиды, часто лишенные гран, в клетках обкладки, окружающих сосудистые пучки.

С3-фотосинтез

Это тип фотосинтеза, при котором первым продуктом являются трехуглеродные (С3) соединения. С3-фотосинтез был открыт раньше С4-фотосинтеза (М. Кальвин). Именно С3-фотосинтез описан выше, в рубрике «Темновая фаза». Характерные особенности С3-фотосинтеза: 1) акцептором углекислого газа является РиБФ, 2) реакцию карбоксилирования РиБФ катализирует РиБФ-карбоксилаза, 3) в результате карбоксилирования РиБФ образуется шестиуглеродное соединение, которое распадается на две ФГК. ФГК восстанавливается до триозофосфатов (ТФ). Часть ТФ идет на регенерацию РиБФ, часть превращается в глюкозу.

Для С4-растений характерно особое анатомическое строение листа. Все проводящие пучки окружены двойным слоем клеток: наружный — клетки мезофилла, внутренний — клетки обкладки. Углекислый газ фиксируется в цитоплазме клеток мезофилла, акцептор — фосфоенолпируват (ФЕП, 3С), в результате карбоксилирования ФЕП образуется оксалоацетат (4С). Процесс катализируется ФЕП-карбоксилазой. В отличие от РиБФ-карбоксилазы ФЕП-карбоксилаза обладает большим сродством к СО2 и, самое главное, не взаимодействует с О2. В хлоропластах мезофилла много гран, где активно идут реакции световой фазы. В хлоропластах клеток обкладки идут реакции темновой фазы.

Рис. 3. Фотосинтез С4-типа (на примере кукурузы)

Увеличение числа реакций для фиксации углекислого газа у С4-растений на первый взгляд может показаться излишним и бессмысленным. Но это только на первый взгляд. Растениям с С4-типом фотосинтеза приходится концентрировать углекислый газ в клетках обкладки, т.к. по сравнению с С3-растениями в их клетках углекислого газа содержится значительно меньше. Это связано с тем, что С4-растения обитают в более жарком и сухом климате, чем С3-растения, поэтому для уменьшения потерь воды им приходится уменьшать транспирацию. За счет этого создаются трудности в поглощении углекислого газа, что и приводит к необходимости его концентрации. В настоящее время считается, что С4-тип фотосинтеза является эволюционным приспособлением к более жарким и сухим климатическим условиям.

Растения с данным типом фотосинтеза являются в основном суккулентами.

Для МОКТ-растений характерны следующие особенности.

1. Их устьица обычно открыты ночью (т.е. в темноте) и закрыты в течение дня.

2. Фиксация углекислого газа происходит в темное время суток. При этом образуется значительное количество яблочной кислоты.

3. Яблочная кислота запасается в больших вакуолях, которые характерны для клеток МОКТ-растений.

4. В светлое время суток яблочная кислота отдает углекислый газ в цикл Кальвина, где она превращается в сахарозу или запасной углевод глюкан.

5. В темновой период суток часть запасенного глюкана распадается с образованием молекул-акцепторов для темновой фиксации углекислого газа (рис. 4).

3. Яблочная кислота запасается в больших вакуолях, которые характерны для клеток МОКТ-растений.

Значение фотосинтеза

В процессе фотосинтеза энергия света заключается в энергию химических связей органических веществ. Поэтому фотосинтез служит первичным источником почти всей энергии, используемой живыми организмами в процессе жизнедеятельности. Практически все живые организмы, за исключением хемосинтетиков, так или иначе пользуются теми продуктами, что выделяются при фотосинтезе.

За счёт фотосинтеза сформировалась и поддерживается пригодная для дыхания атмосфера с высоким содержанием кислорода.

Фиксация углекислого газа в ходе фотосинтеза служит главным местом входа неорганического углерода в биогеохимический цикл. Также ассимиляция CO2 препятствует перегреву Земли, предотвращая парниковый эффект.


В процессе фотосинтеза энергия света заключается в энергию химических связей органических веществ. Поэтому фотосинтез служит первичным источником почти всей энергии, используемой живыми организмами в процессе жизнедеятельности. Практически все живые организмы, за исключением хемосинтетиков, так или иначе пользуются теми продуктами, что выделяются при фотосинтезе.

Растения с путем фотосинтеза С4

Физиология растений изучает процессы роста и развития, цветения и плодоношения растений, почвенного и воздушного питания, синтеза и накопления пластических веществ, т.е. совокупность всех тех процессов, которыми обеспечивается способность растения строить свое тело и воспроизводить себя в потомстве.

Физиологические процессы: фотосинтез, дыхание, водообмен, минеральное питание, рост, размножение, движение, механизмы защиты и устойчивости.

1. Фотосинтез

Фотосинтез – это процесс превращения растением энергии света в химическую энергию органических соединений. Тимирязев писал: “Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа, или, вернее, вне хлорофиллового зерна, в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах или организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического”.

Фотосинтез происходит в листе, в клетках листа, в хлоропластах, которые содержат зеленый пигмент хлорофилл. Что у кактусов? Листьев нет. Хлоропласты располагаются в стебле. Лишившись листьев, стебли кактусов стали функционировать во-первых, как орган органического питания и дыхания растений, а во-вторых, как место накопления запаса питательных веществ и воды. Стебель покрыт эпидермисом (покровная ткань), именно в клетках эпидермиса стебля кактусов находятся хлоропласты, содержащие зеленый пигмент хлорофилл, поэтому у подавляющего большинства кактусов стебель зеленый, и именно в нем идет фотосинтез. Это первая особенность.

Элементарное уравнение фотосинтеза выглядит так:

6 СО2 + 6 Н2О + 674 ккал свет/хлорофилл =С6Н12О6 + 6 О2

Таким образом, для успешного протекания процесса фотосинтеза требуется свет, углекислый газ, вода и специальный пигмент хлорофилл.

Фотосинтез – это сложный многоступенчатый окислительно-восстановительный процесс, который можно разделить на две фазы:
1. темновую – восстановление углекислого газа до простых углеводов и
2. световую – окисление воды до молекулы кислорода.
Таким образом в процессе фотосинтеза происходят не только реакции, идущие с использованием энергии света, но и темновые, не требующие непосредственного участия энергии света.

Читайте также:  Свечи из пчелиного воска: для чего применяют, как сделать своими руками

В световую фазу фотосинтеза происходит разложение воды и выделяется кислород, а также образуются вещества, богатые энергией, т.е. энергия света преобразуется в энергию химических связей, в первую очередь, энергию фосфорных связей АТФ и НАДФ Н2.

Темновая фаза фотосинтеза – это путь превращения углерода, т.е. углерод из углекислого газа превращается в результате массы химических реакций (а также при непосредственном участии богатых энергией соединений, образованных в световую фазу фотосинтеза) в сахарозу.

Темновая фаза фотосинтеза – путь превращения углерода – был раскрыт Кальвином и называется цикл Кальвина.

В результате цикла Кальвина первым органическим веществом является фосфоглицериновая кислота, содержащая три атома углерода (С). Поэтому цикл Кальвина называется С3-путь фотосинтеза. У большинства зеленых растений фотосинтез идет по С3-пути. Путь углерода при фотосинтезе, установленный Кальвином, является основным. Однако существуют отклонения от этого пути. Так, австралийские ученые Хетч и Слэк (1966 г.) и советский ученый Карпилов (1960 г.) показали, что у некоторых растений, по преимуществу тропических и субтропических (кукуруза, сахарный тростник) фотосинтез идет по иному пути. В этом случае первым органическим веществом является соединение, содержащее не три атома углерода (как в цикле Кальвина), а четыре атома углерода. В связи с этим, путь получил название С4-путь фотосинтеза. У кактусов и суккулентов фотосинтез идет по С4-пути. Чем С4-путь фотосинтеза отличается от С3-пути?

1) первым продуктом фотосинтеза является соединение, содержащее четыре атома углерода;

2) оптимум процессов фотосинтеза у мезофитных растений с С3-путем +20 +25?С. Оптимум температуры фотосинтеза у С4-растений +30 +35?С. Т.е., если при температуре +35 ?С у растений С3-пути процесс фотосинтеза прекращается, то у С4-растений фотосинтез идет полным ходом. С4-растения в данном случае получают дополнительные преимущества в смысле продуктивности фотосинтеза;

3) у С4-растений в результате эволюции и приспособлению к засушливому климату появился дополнительный фермент, которого нет у С3-растений, и который связывает углекислый газ, образовавшийся в процессе дыхания, т.е. у С4-растений в фотосинтезе участвуют углекислый газ, поглощенный из атмосферы, и углекислый газ, образовавшийся в результате жизнедеятельности растения.

Таким образом, сущность С4-пути заключается еще и в том, что реакции восстановления углерода происходят дважды, что значительно повышает продуктивность фотосинтеза и позволяет растению создавать запасы углерода в клетках.

Это вторая особенность фотосинтеза у кактусов и суккулентов, т.е. растения, у которых фотосинтез идет по С4-пути, обладают более высокой способностью к связыванию углекислого газа, благодаря наличию особого фермента, которого нет у С3-растений. Кроме того, ферменты, которые связывают углекислый газ у С4-растений, обладают более высокой активностью. Содержание СО2 в воздухе 0,03%. У С3-растений процесс фотосинтеза может осуществляться при содержании СО2 в воздухе не менее 0,005%, а у С4-растений, благодаря высокой активности ферментов (ФЕП) – не менее 0,0005%.

Кактусы и суккуленты – это главным образом С4-растения, но и здесь кактусы выпадают из обычных С4-растений и идут своим путем. Этот способ метаболизма или фотосинтеза выделяют из общего С4-пути и именуют крассуловым типом метаболизма, в соответствии с английским выражением crassula acid metabolism (CAM), так как впервые он был открыт у растений рода Толстянок (Crassula).

Днем, когда у обычных растений устьица открыты, у кактусов они закрыты, чтобы не испарялась вода, так как дефицит воды. Ввиду этого снижается обводненность эпидермиса, закрываются устьичные щели, и углекислый газ, необходимый для фотосинтеза (без него фотосинтез не может происходить) не поступает в растение, не может проникнуть в хлоропласты. Устьица у кактусов открываются ночью, тогда-то углекислый газ и поступает в растение. Но фотосинтез должен происходить днем, при наличии солнечного света – это основное условие. Как же такое противоречие разрешить?

Оказывается, у САМ-растений углекислый газ поступает в растение ночью, связывается особым ферментом и накапливается в тканях. А днем накопленный за ночь СО2 освобождается и включается в процесс фотосинтеза. Таким образом, у растений с метаболизмом по типу толстянковых фотосинтез разделен не в пространстве, как у типичных С4-растений, а во времени. Это третья особенность. У этого типа растений фиксация углекислого газа происходит в ночное время, когда устьица открыты, а днем накопленный СО2 участвует в синтезе сахаров. Осуществление фотосинтеза по такому пути позволяет в течение дня держать устьица закрытыми, и таким образом сокращать транспирацию, что предохраняет растения от излишней потери воды и повышает их устойчивость к засухе.

Таким образом, существуют три особенности фотосинтеза у кактусов:

1) Фотосинтез происходит в эпидермисе стебля.

2) Имеется особый фермент, который связывает углекислый газ, выделяющийся при дыхании и использует его в фотосинтезе.

3) Углекислый газ, необходимый для фотосинтеза, накапливается ночью, таким образом, процесс фотосинтеза разделен во времени.

Фотосинтез идет на протяжении всего светового дня. Но одинакова ли его интенсивность? Оказывается, нет. График интенсивности фотосинтеза у пустынных растений в зависимости от времени суток напоминает чашу – в дневные часы происходит лишь накопление энергии.

Суточный ход фотосинтеза у кактусов:


Что влияет на скорость процессов фотосинтеза? Прежде всего – температурный фактор. Оптимум температур для фотосинтеза у С3-растений +20 +25?С, у С4-растений +30 +35?С.

Кроме того, на скорость фотосинтеза влияет:

1) Изменение спектрального состава солнечного света в течение светового дня, так как зеленые растения поглощают больше всего красные лучи солнечного света, а доля красных лучей увеличивается в утренние и вечерние часы. В горах растения поглощают в основном сине-фиолетовые лучи (это максимум поглощения для пигментов каротина и ксантофилла). В середине 20-х годов ХХ века ряд исследователей обнаружили, что фотосинтез может идти и при искусственном освещении.

2) Скорость вывода из клеток продуктов синтеза (так как избыток образовавшегося крахмала тормозит фотосинтез).

3) Динамика транспирации, т.е. при высоких температурах (свыше +40 ?С) – фотосинтез прекращается, а идет транспирация (испарение воды), чтобы охладить растение, не дать ему перегреться.

2006
Еремина Светлана
Кактус-клуб “Корифанта”
Самара

3) Углекислый газ, необходимый для фотосинтеза, накапливается ночью, таким образом, процесс фотосинтеза разделен во времени.

Основная разница – C3 против C4 растений

Растения С3 и С4 представляют собой растения двух типов, использующие циклы С3 и С4 во время темновой реакции фотосинтеза соответственно. Около 95% растений на земле – это растения С3. Сахарный тростник, сорго, кукуруза и травы являются растениями С4. Листья растений С4 имеют анатомию Кранца. Растения С4 способны к фотосинтезу даже в низких концентрациях углекислого газа, а также в жарких и сухих условиях. Следовательно, эффективность фотосинтеза у растений C4 выше, чем у растений C3. главное отличие между растениями С3 и С4 является то, что однократная фиксация углекислого газа наблюдается у растений C3 и двойная фиксация углекислого газа наблюдается у растений C4.

Эта статья исследует,

1. Что такое растения С3
– определение, характеристики, особенности, примеры
2. Что такое растения С4
– определение, характеристики, особенности, примеры
3. В чем разница между растениями С3 и С4

Растения С3 используют цикл Кальвина в качестве механизма темновой реакции при фотосинтезе. Первым стабильным соединением, полученным в цикле Кальвина, является 3-фосфоглицерат. Поскольку 3-фосфоглицерат представляет собой трехуглеродное соединение, цикл Кальвина называется циклом С3. Растения С3 непосредственно связывают углекислый газ с помощью фермента рибулозобисфосфаткарбоксилазы (рубиско). Эта фиксация происходит в хлоропластах клеток мезофилла. Цикл С3 происходит в три этапа. На первом этапе диоксид углерода фиксируется в пятиуглеродном сахаре, рибулозо-1,5-бисфосфате, который альтернативно гидролизуется в 3-фосфоглицерат. Некоторые из 3-фосфоглицератов восстанавливаются в гексозофосфаты, такие как глюкозо-6-фосфат, глюкозо-1-фосфат и фруктозо-6-фосфат во время второй стадии. Оставшиеся 3-фосфоглицераты рециркулируют, образуя рибулозо-1,5-фосфат.

САМ-тип фотосинтеза: сущность, основные ферменты, энергетика и регуляция. Примеры.

САМ-тип фотосинтеза

Но некоторые растение пошли еще дальше. Если С4 растения разделили процесс первичной фиксации СО2 и синтеза органики между хлоропластами двух видов, то другие растения поступили еще более умно, они разделили эти 2 процесса не в пространстве, а во времени. Фиксация СО2 у них происходит через открытые устьица ночью, когда не так жарко. А днем они закрывают свои устьица и используют накопленный за ночь углекислый газ. Им даже не нужно никаких особых хлоропластов. СО2 ночью они фиксируют в виде яблочной кислоты, которую накапливают просто в вакуолях. А днем преспокойненько расщепляют это кислоту, получают СО2 и используют его для производства сахаров в процессе фотосинтеза. Такой тип фотосинтеза назван в честь любимой всеми нами толстянки – Crassulы – САМ (crassulacean acid metabolism). Его используют и кактусы, и каланхое, и очиток, и другие суккуленты.

Осуществление фотосинтеза по такому пути позволяет растениям максимально экономить воду и поддерживать процесс фотосинтеза в условиях острого водного дефицита. Однако САМ-путь не может обеспечить высокой продуктивности растений, поэтому данные растения медленно растут и не могут конкурировать с С3– и С4-растениями при менее экстремальных условиях. Возможна смена путей фиксации С02. При достаточном количестве воды растения с САМ-метаболизмом могут переходить на С3-путь. Так, показана способность Mesembryanthemum crystallinum L. (хрустальная травка) менять направленность метаболических процессов, переходя с С3-пути фотосинтеза на САМ в условиях действия различных стрессоров: водного, солевого, температурного. В научной литературе имеются указания о наличии и других путей связывания С02. Однако они еще недостаточно изучены. Важно также подчеркнуть, что на всех этапах фотосинтетического цикла промежуточные продукты могут претерпевать различные превращения в зависимости от условий среды. Именно это является основой для образования разнообразных продуктов фотосинтеза.

Цикл Кребса (аэробная стадия дыхания). Пентозофосфатный путь.

Дыхание относится к категории катаболических процессов. Процесс клеточного дыхания включает несколько этапов и осуществ- ляется последовательно и скоординированно в нескольких компартментах клетки.

Подготовительный этап – гидролиз полимеров и сложных соединений (полисахариды, белки, жиры) – происходит в основном в лизосомах.

Гликолиз – первый этап окисления субстрата – осуществляется в гиа- лоплазме (хлоропласты). Цикл Кребса локализован в матриксе митохондрий. Это заключительный этап превращения субстрата.

Электрон-транспортная цепь дыхания – заключительный этап трансформации энергии окисляемого субстрата с участием кислорода.

Ци́кл трикарбо́новых кисло́т (сокр. ЦТК, цикл Кре́бса, цитра́тный цикл, цикл лимо́нной кислоты́ [1] [2] ) — центральная часть общего пути катаболизма, циклический биохимический процесс, в ходе которого ацетильные [en] остатки (СН3СО–) окисляются до диоксида углерода (CO2). При этом за один цикл образуется 2 молекулы CO2, 3 НАДН, 1 ФАДH2 и 1 ГТФ (или АТФ) [3] . Электроны, находящиеся на НАДН и ФАДH2, в дальнейшем переносятся на дыхательную цепь [2] , где в ходе реакций окислительного фосфорилирования образуется АТФ.

Цикл трикарбоновых кислот — это ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме, промежуточный этап между гликолизом и электронтранспортной цепью. Кроме значительной энергетической роли циклу отводится также и существенная пластическая функция, то есть это важный источник молекул-предшественников, из которых в ходе других биохимических превращений синтезируются такие важные для жизнедеятельности клетки соединения, как аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др. [4]

Цикл превращения лимонной кислоты в живых клетках (т. е. цикл трикарбоновых кислот) был открыт и изучен немецким биохимиком Хансом Кребсом, за эту работу он (совместно с Ф. Липманом) был удостоен Нобелевской премии (1953 год) [1] .

У эукариот все реакции цикла Кребса протекают внутри митохондрий, а у большинства бактерий реакции цикла протекают в цитозоле [5] .

Пентозофосфа́тный путь (пентозный путь, гексозомонофосфатный шунт [1] , путь Варбурга — Диккенса — Хорекера [2] ) — альтернативный путь окисления глюкозы (наряду с гликолизом и путём Энтнера — Дудорова), включает в себя окислительный и неокислительный этапы.

Суммарное уравнение пентозофосфатного пути:

3 глюкозо-6-фосфат + 6 НАДФ + → 3СО2 + 6 (НАДФH + Н + ) + 2 фруктозо-6-фосфат + глицеральдегид-3-фосфат [3] .

В дальнейшем глицеральдегид-3-фосфат превращается в пируват с образованием двух молекул АТФ [2] .

Пентозофосфатный путь распространён у растений и животных, а у большинства микроорганизмов имеет только вспомогательное значение [2] . Ферменты пентозофосфатного пути располагаются в цитозоле и животных, и растительных клеток; кроме того, в клетках млекопитающих они располагаются также в эндоплазматическом ретикулуме, а у растений — в хлоропластах [4] .

Подобно гликолизу, пентозофосфатный путь, по-видимому, имеет очень древнюю эволюционную историю. Возможно, в древних водах архея ещё до возникновения жизни происходили реакции пентозофосфатного цикла, катализируемые не ферментами, как в живых клетках, а ионами металлов, в частности, Fe 2+ [5] .

Потребность растений в элементах минерального питания. Макроэлементы минерального питания. Микроэлементы.

Биогенные элементы – это химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и имеющие определённое биологическое значение. Прежде всего это кислород, составляющий 70 % всей массы организмов, углерод (18 %), водород (10 %), кальций, азот, калий, фосфор, магний, сера, хлор, натрий, железо и др. В пересчете на сухую массу организмы содержат по 45 % углерода и кислорода, 6 % – водорода, 4% – остальных минеральных элементов. Эти элементы входят в состав всех живых организмов, составляют их основную массу и играют большую роль в процессах жизнедеятельности. Успехи аналитической химии и спектрального анализа расширили перечень биогенных элементов. Ученые находят всё новые элементы, входящие в состав организмов в малых количествах (микроэлементы), и открывают биологическую роль многих из них. В. И. Вернадский считал, что все химические элементы, постоянно присутствующие в клетках и тканях организмов, в естественных условиях играют определенную физиологическую роль. Многие элементы имеют большое значение только для определённых групп живых существ (например, бор необходим для растений, ванадий – для асцидий и т.п.). Содержание тех или иных элементов в организмах зависит не только от их видовых особенностей, но и от состава среды, пищи (в частности, для растений – от концентрации и растворимости тех или иных почвенных солей), экологических особенностей организма и других факторов.

Макроэлементы

Азот входит в состав белков, нуклеиновых кислот, пигментов, кофер- ментов, фитогормонов и витаминов. В почве от 0,5 до 2 % почвенного азота доступно растениям в форме NO- 3 и NH+ 4-ионов. Запасы азота в почве могут пополняться разными путями: внесение в почву минеральных и органиче- ских азотных удобрений; азотфиксация молекулярного азота атмосферы спе- циализированными группами микроорганизмов; минерализация почвенными бактериями органического азота растительных и животных остатков.

Читайте также:  Эхеверия Деренберга: описание и фото

Фосфор. Растения поглощают из почвы свободную ортофосфорную кислоту и ее двух- и однозамещенные соли, растворимые в воде, а также и некоторые органические соединения фосфора, такие, как фосфаты сахаров и фитин.

Сера. В почве находится в органической и неорганической формах. Ор- ганическая сера входит в состав растительных и животных остатков. Основ- ные неорганические соединения серы в почве – сульфаты (CaSO4, MgSO4, Na2SO4). В затопляемых почвах сера находится в восстановленной форме в виде FeS, FeS2 или H2S. Растения поглощают

Калий поглощается растениями в виде катиона. Его содержание в рас- тениях составляет в среднем 0,9 %. Концентрация калия высока в огурцах, томатах и капусте, но особенно много его в подсолнечнике. В растениях ка- лий больше сосредоточен в молодых, растущих тканях. Около 80 % калия содержится в вакуолях и 1 % калия прочно связан с белками митохондрий и хлоропластов. Калий стабилизирует структуру этих органелл.

Кальций. В почве содержится много кальция, и кальциевое голодание встречается редко, например при сильной кислотности или засоленности почв и на торфяниках. Общее содержание кальция у разных видов растений составляет 5–30 мг на 1 г сухой массы. Много кальция содержат бобовые, гречиха, подсолнечник, картофель, капуста, гораздо меньше – зерновые, лен, сахарная свекла. В тканях двудольных растений кальция больше, чем одно- дольных. Кальций накапливается в старых органах и тканях.

Магний. Недостаток в магнии растения испытывают на песчаных и подзолистых почвах. Много магния в сероземах, черноземы занимают про- межуточное положение. Водорастворимого и обменного магния в почве 3–10 %. Магний поглощается растением в виде иона Mg2+. При снижении рН поч- венного раствора магний поступает в растения в меньших количествах. Кальций, калий, аммоний и марганец действуют как конкуренты в процессе поглощения магния растениями

Микроэлементы

Железо. Среднее содержание железа в растениях составляет 20–80 мг на 1 кг сухой массы. Ионы Fe3+ почвенного раствора восстанавливаются ре- докс-системами плазмалеммы клеток ризодермы до Fe2+ и в такой форме по- ступают в корень. Железо необходимо для функционирования основных ре- докс-систем фотосинтеза и дыхания, синтеза хлорофилла, восстановления нитратов и фиксации молекулярного азота клубеньковыми бактериями. При этом оно входит в состав нитратредуктазы и нитрогеназы.

Медьпоступает в клетки в форме иона Сu2+. Среднее содержание меди в растениях 0,2 мг на кг сухой массы. Около 70 % всей меди, находящейся в листьях, сосредоточено в хлоропластах, и почти половина ее – в составе пла- стоцианина (переносчика электронов между фотосистемами II и I). Она вхо- дит в состав ферментов, катализирующих окисление аскорбиновой кислоты, дифенолов и гидроксилирование монофенолов (аскорбатоксидазы, полифе- нолоксидазы, ортодифенолоксидазы и тирозиназы).

Марганец поступает в клетки в форме ионов Mn2+. Среднее его содер- жание составляет 1 мг на 1 кг сухой массы. Марганец накапливается в листь- ях. Он необходим для фоторазложения воды с выделением кислорода и вос- становления углекислого газа при фотосинтезе. Марганец способствует уве- личению содержания сахаров и их оттоку из листьев. Два фермента цикла Кребса (малатдегидрогеназа и изоцитратдегидрогеназа) активируются иона- ми марганца. Он также необходим для функционирования нитратредуктазы при восстановлении нитратов.

Молибден. Наибольшее содержание молибдена характерно для бобовых (0,5–20 мг на 1 кг сухой массы), злаки содержат от 0,2 до 2 мг на 1 кг сухой массы. Он поступает в растения в форме аниона МоО2- 4, концентрируется в молодых, растущих органах. Его больше в листьях, чем в корнях и стеблях, а в листе он сосредоточен в основном в хлоропластах. Молибден входит в со- став нитратредуктазы и нитрогеназы. Молибден необходим для биосинтеза легоглобина. Как металл-активатор молибден участвует в реакциях аминиро- вания и переаминирования, для включения аминокислот в пептидную цепь, работы таких ферментов, как ксантиноксидаза и различные фосфатазы.

Цинк. Содержание цинка в надземных частях бобовых и злаковых рас- тений составляет 15–60 мг на 1 кг сухой массы. Повышенная концентрация отмечается в листьях, репродуктивных органах и конусах нарастания, наи- большая – в семенах. В растение цинк поступает в форме катиона Zn2+. Он необходим для функционирования ферментов гликолиза (гексокиназы, ено- лазы, триозофосфатдегидрогеназы, альдолазы), а также входит в состав алко- гольдегидрогеназы.

Бор. Его среднее содержание составляет 0,1 мг на кг сухой массы. В боре наиболее нуждаются двудольные растения. Много бора в цветках. В клетках большая часть бора сосредоточена в клеточных стенках. Бор усили- вает рост пыльцевых трубок, прорастание пыльцы, увеличивает количество цветков и плодов. Без него нарушается созревание семян. Бор снижает активность некоторых дыхательных ферментов, оказывает влияние на углевод- ный, белковый и нуклеиновый обмен.

Цикл Кребса (аэробная стадия дыхания). Пентозофосфатный путь.

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 (рис. 40).

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 малат и 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 (рис.).

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 НАДФН, образующегося в ходе световой фазы фотосинтеза; ЩУК в присутствии NH4 может превращаться также в аспартат.

Опыты с радиоактивной меткой ( 14 С) 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.

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.

Особенности фотосинтеза у С4- и САМ-растений

В 1966 году австралийские ученые М. Хетч и К. Слэк установили, что у некоторых злаковых растений тропического и субтропического происхождения фотосинтез имеет свои особенности.

Особенность заключается в том, что в качестве первых продуктов фотосинтеза у этой группы растений образуется не трех, а четырехуглеродные соединения. При образовании 4-х углеродных соединений, углекислота соединяется не с рибулезодифосфатом, а с * кислотой. Путь ассимиляции СО2 через * кислоту с образованием С4-дикарбоновых кислот получил название С4-путь усвоения углерода, а организмы С4-растений.

У растений тропического происхождения – сахарный тростник, сорго, просо, злаки, кукуруза, амарант и др. листовые сосудистые пучки окружены крупными клетками паренхимы с большими, зачастую лишенными гран хлоропластами. Эти клетки в свою очередь окружены более мелкими клеточками мезофилла с меньшими хлоропластами. В клетках мезофилла листа происходит первичное акцептирование СО2 на * кислоту, которая вовлекает СО2 в реакции карбоксилирования даже при очень низких концентрациях СО2 в окружающем воздухе.

В результате карбоксилирования образуются щавелево-уксусная, яблочная и аспарагиновая кислоты. Из них яблочная и аспарагиновая переходят в обкладочные клетки проводящих пучков листа, подвергаются там декарбоксилированию и создают внутри клеток высокую концентрацию СО2, усваиваемую уже через рибулозодифосфат-карбоксилазу в цикле Калвина. Это выгодно, во-первых потому, что облегчает введение СО2 в цикл Калвина через карбоксилирование рибулозодифосфата при помощи фермента рибулозодифосфат-карбоксилазы, которая менее активна и требует для оптимальной работы боле высоких концентраций СО2, чем *-карбоксилаза. Кроме того, высокая концентрация СО2 в обкладочных клетках уменьшает световое дыхание и связанные с ним потери энергии.

Таким образом происходит высокоинтенсивный и кооперативный фотосинтез, свободный от излишних потерь в световом дыхании, от кислородного ингибирования и хорошо приспособленный в атмосфере бедной СО2 и богатой О2.

Растения с С4-фотосинтезом – это цветковые растения из 19 семейств (3 сем. однодольных и 16 сем. двудольных). С4-злаки преобладают в районах с очень высокой температурой, приходящейся на вегетационный сезон. С4-двудольные широко распространены в тех районах, где вегетационный сезон характеризуется чрезмерной засушливостью. Для 23 семейств цветковых растений характерен метаболизм органических кислот по типу толстянковых, обозначенный как САМ-метаболизм. САМ-метаболизм возник в процессе эволюции у листьев суккулентных растений, включая кактусы и толстянки, но не все САМ-растения суккуленты, например, ананасы.

Суккуленты, произрастающие в засушливых областях (кактус) так же фиксируют атмосферный СО2 с образованием 4-х углеродных соединений. Однако по своему физиологическому поведению эти растения отличаются от других представителей С4-типа. Устьица у них открыты ночью и закрыты днем. Обычно же картина бывает обратной: свет стимулирует открывание устьиц, а в темноте они остаются закрытыми.

Такой тип поведения представляет несомненную выгоду для растений пустыни. Эти растения поглощают в ночное время атмосферную СО2 образуя в результате её фиксацию 4-х углеродной органической кислоты, главным образом яблочную. Яблочная кислота запасается в вакуолях. Роль первичного акцептора углерода играет у них, как и у прочих С4-растений ФЕП. Днем, когда хлорофилл активируется светом, яблочная кислота декарбоксилируется с образованием 3-х углеродного соединения и СО2, их которой затем и строятся 6-углеродные сахара в цикле Кальвина.

Чередование на протяжении суток двух процессов: накопление кислот в ночное время и их распад днем получило название САМ-метаболизма, по семейству Crassulaceae.

У САМ-растений первичное карбоксилирование и образование 6-углеродных сахаров происходит в одних и тех же клетках, но в разное время. Тогда как у прочих С4-растений эти процессы происходят одновременно, но могут быть приурочены к разным клеткам. Разделение во времени фиксации СО2 и переработки СО2 на следующий день экономически выгодно. Таким образом, они обеспечивают себя углеродом, не подвергаясь чрезмерной потере воды.

Дата публикования: 2015-06-12 ; Прочитано: 2756 | Нарушение авторского права страницы

У САМ-растений первичное карбоксилирование и образование 6-углеродных сахаров происходит в одних и тех же клетках, но в разное время. Тогда как у прочих С4-растений эти процессы происходят одновременно, но могут быть приурочены к разным клеткам. Разделение во времени фиксации СО2 и переработки СО2 на следующий день экономически выгодно. Таким образом, они обеспечивают себя углеродом, не подвергаясь чрезмерной потере воды.

Ссылка на основную публикацию