Мы в своем изложении исходили из того, что основой синтеза АТР является перенос электронов. В последнее время, однако, широкое признание получила хемиосмотическая теория английского исследователя Питера Митчелла, в основу которой положено представление о перемещении протонов.

Рассмотрим синтез АТР в хлоропластах ( 4.13), где легко проследить его связь с «Z-схемой» световых реакций фотосинтеза ( 4.12). Фотосинтетическая цепь переноса электронов размещается в тилакоидной мембране. Один из находящихся здесь переносчиков электронов, пластохинон, переносит наряду с электронами и протоны (Н+-ионы), перемещая их через тилакоидную мембрану в направлении снаружи внутрь. Следствием этого является повышение концентрации протонов внутри тилакоида и возникновение значительного градиента рН между наружной и внутренней стороной тилакоидной мембраны: с внутренней стороны среда оказывается более кислой, чем с наружной. Эта повышенная кислотность внутри тилакоида еще более усиливается вследствие фотолиза, при котором электроны н 02 удаляются, а протоны накапливаются. Значительный градиент рН между внутренней и наружной стороной тилакоидной мембраны представляет собой потенциальный источник энергии.

Лучистая энергия, поглощенная хлорофиллом, выполняющим роль светосо- бирающего комплекса (ХСК), передается Р68о и Р7()о, способным также поглощать свет непосредственно. От возбужденных молекул Рвво н Р700 отрываются пары электронов, в результате чего в молекулах остаются участки с избыточным положительным зарядом, называемые дырками. Электроны от Рмо улавливаются особой формой переносчика электронов, пластохиноном (ПХ). В этой точке за электронами следуют два протона нз стромы, находящейся кнаружи, от тилакоида, так что пластохинон восстанавливается в ПХНг. Эти протоны затем освобождаются, поступая внутрь тилакоида, а электроны передаются сначала цитохрому f(f), затем пластоцианнну (ПЦ) и, наконец, Р700. где они заполняют дырку. Электроны от Р700 улавливаются белком, содержащим железо и серу (FeS), после чего передаются ферредокснну (Фд), флавин- адениидинуклеотиду (FAD) и, наконец, NADP+. Протон, поступивший в ти- лакоид снаружи, присоединяется к двум электронам и NADP+ с образованием NADPH. Цикл завершается после того, как НгО внутри тилакоида претерпевает фотолиз, дающий 2 электрона, 2 протона и 1/2 02. Электроны заполняют дырку в молекуле Рвво, кислород выделяется в газообразной форме, а протоны, находившиеся виутрн тилакоида, перемещаются обратно, наружу, через фактор сопряжения (ФС1; на схеме справа). Энергия, высвобождающаяся при этом перемещении протонов, используется для синтеза АТР из ADP и Pi.

выростах», находящихся на наружной стороне тилакоидной мембраны". В каналах находится белок, так называемый фактор сопряжения (ФСО, способный осуществлять синтез АТР. Этот белок, вообще говоря, представляет собой АТР-азу, т. е, фермент, катализирующий распад АТР, но при наличии соответствующей энергии он может катализировать и синтез данного соединения. Энергию поставляют протоны, текущие сквозь мембрану, через ножки и головки грибовидных выростов. Все в целом напоминает преобразование механической энергии в электрическую в гидротурбине. Протоны текут по каналам в грибовидных выростах до тех пор, пока их концентрация внутри тилакоида превышает наружную концентрацию и, значит, пока электроны под воздействием поглощаемого хлорофиллом света перемещаются по цепи переносчиков. На каждые два переданных по цепи электрона внутри тилакоида накапливается приблизительно четыре протона. На каждые три протона, возвращающиеся (с участием фактора сопряжения) обратно наружу, синтезируется одна молекула АТР.

Восстановление С02 до углевода

Конечными продуктами световых реакций фотосинтеза являются NADPH и АТР ( 4.14). Эти соединения используются затем соответственно как восстановительная сила и как источник энергии для превращения С02 в сахар. Этапы, из которых слагается это превращение, известны под общим названием «темповых реакций» фотосинтеза.

Последовательность реакций на пути превращения СОг в сахар удалось выяснить благодаря применению радиоактивного углерода, 14С. Этот изотоп углерода, распадающийся с испусканием р-частиц, можно обнаружить при помощи счетчика Гейгера — Мюллера или любого другого детектора радиоактивных излучений. Вводя в фотосинтезирующие клетки радиоактивную СОг, а затем отбирая через определенные промежутки времени различные химические фракции и измеряя их радиоактивность, можно проследить биохимический путь, который проходит в этих клетках 14С. Мелвин Кальвин и Эндрью Бенсон из Калифорнийского университета в Беркли воспользовались этим методом для того, чтобы установить путь фиксации углерода у одноклеточной зеленой водоросли Chlorella. Фотосинтез в клетках Chlorella происходил в присутствии радиоактивной С02. Образующиеся меченые соединения экстрагировали из клеток метанолом, после чего исследуемую смесь разделяли на отдельные компоненты методом двумерной хроматографии на бумаге. Согласно этому методу, разделение смеси проводят сперва в одном направлении с помощью одной системы растворителей,, а затем под прямым углом к первому направлению используют другую систему растворителей. На полученную хроматограмму накладывали рентгеновскую пленку. После проявления этой пленки темные пятна обнаруживались на ней во всех тех местах, где находились соединения, содержавшие радиоактивный углерод. Таким способом удалось выяснить, что в процессе фотосинтеза за несколько минут образуется большое число меченых соединений. Однако, когда время, отведенное на фотосинтез, сократили до 0,5 с, обнаружить удалось одно только трех- углеродное фосфорилированное соединение — 3-фосфоглицерино- вую кислоту (ФГК). Отсюда был сделан вывод, что ФГК— это первый стабильный продукт, образующийся из С02 в процессе фотосинтеза.

Ступенчатая деградация выделенной радиоактивной ФГК дает возможность показать, что радиоактивную метку (ее обозначают символом *С или 14С) несет карбоксильная (СООН) группа ФГК и что, следовательно, именно она представляет собой видоизмененную форму исходной 14С02. Можно было бы предположить, что поглощаемая 14СОг соединяется с каким-то двууглеродным фрагментом, в результате чего и образуется ФГК, но это не подтвердилось. Кальвин и Бенсон занялись поисками соединения, которое накапливалось бы после исчерпания» запаса 14СОг в процессе фотосинтеза. Они исходили из предположения, что накапливаться в этих условиях должен был как раз неиспользованный «акцептор СОг». Такое соединение действительно было найдено ( 4.15 и 4.16) и было идентифицировано как рибулозобисфосфат (RuBP) — пятиуглеродное фосфорилированное соединение, распадающееся после присоединения СОг на две молекулы ФГК. Фермент, катализирующий эту реакцию, рибулозобисфосфат-карбоксилаза, занимает в количественном отношении первое место среди белков, содержащихся в зеленой ткани.

Фосфоглицериновая кислота, образующаяся из СОг, еще не достигает уровня восстановленности углеводов, который соответствует альдегидной группе (Н—С=0); она отстоит от него на одну ступень, т. е. степень ее окисления 'соответствует карбоксильной группе (НО—С=0). Восстановление до уровня альдегида осуществляется за счет восстановительной силы NADPH и энергии АТР — двух соединений, представляющих собой продукты световых реакций фотосинтеза.   

Фосфоглицериновый альдегид, представляющий собой фос- форилированное производное сахара, содержит только три атома углерода. Между тем в простейшем сахаре, который накапливается в растениях в сколько-нибудь значительном количестве, содержится шесть атомов углерода. Для того чтобы образовалась гексоза, две молекулы фосфоглицеринового альдегида (или каких-либо простых его производных) должны соединиться «голова к голове» и продукт этого присоединения, гексозобис- фосфат, должен подвергнуться дефосфорилированию.

После этого гексоза из цикла может направляться либо на синтез сахарозы и полисахаридов, либо — через дыхательный- путь (см. гл. 5) — на построение углеродных скелетов любых других органических соединений клетки. Таким образом, сахар,, образующийся в процессе фотосинтеза из СОг, — это основное органическое вещество, которое в клетках высших растений служит источником как энергии, так и необходимых клетке строительных блоков.

ФОТОДЫХАНИЕ

Растения, использующие только путь Кальвина — Бенсона,. принято называть Сз-растениями, поскольку первый стабильный продукт фотосинтеза представлен у них трехуглеродным соединением— ФГК. У Сз-растений значительная часть фиксированного при фотосинтезе углерода тут же теряется вследствие распада продуктов фиксации и выделения СОг в реакциях, идущих с потреблением кислорода. Процесс этот происходит только на свету, и потому он был назван фотодыханием. Фотодыхание открыто сравнительно недавно. Объясняется это позднее его открытие .тем, что выделение С02 при дыхании на свету маскируется поглощением С02 в процессе фотосинтеза. Первоначально- предполагалось, что и в количественном отношении, и в смысле используемого пути световое дыхание идентично дыханию в темноте, однако затем выяснилось, что на свету выделяется больше СОг. Это удалось установить в результате тщательных измерений газообмена непосредственно вслед за включением или выключением света. Наблюдающееся на свету дополнительное выделение СОг объясняется, как выяснилось, не усилением нормального процесса дыхания, а добавлением в этих условиях совершенно иного пути — фотодыхания.

Фотодыхание обусловлено тем, что в присутствии кислорода действующий в цикле Кальвина фермент RuBP-карбоксилаза может присоединять к RuBP не только СОг, но и Ог, выполняя таким образом роль ЯиВР-оксигеназы. Присоединение кислорода к молекуле RuBP приводит к такому ее расщеплению, при котором вместо двух молекул ФГК, содержащих по три атома углерода, образуется одна молекула фосфогликолевой кислоты (содержащей два атома углерода) и одна молекула ФГК. Таким образом, в оксигеназной реакции не происходит никакой •фиксации СОг. Фосфогликолат позднее дефосфорилируется и превращается в гликолат, который поступает из хлоропласта в другую органеллу, также окруженную мембраной,—<в перок- &исому ( 4.17). В перокеисоме гликолат вступает в реакцию с кислородом, в результате чего образуются глиоксилат и перекись водорода. Перекись тут же распадается на воду и кислород, а глиоксилат превращается в аминокислоту глицин. Затем уже вне пероксисомы, а именно в митохондриях, из глицина образуется аминокислота серин (которая может использоваться непосредственно в белковом синтезе или претерпевать* дальнейшие превращения, 'ведущие к образованию глюкозы). При этой реакции из двух молекул глицина образуется одна молекула се- рина и одновременно выделяется СОг- Таким образом, какая-то часть углерода, фиксированного в цикле Кальвина — Бенсона, теряется без того, чтобы растение могло хоть как-то этот углерод использовать. Смысл фотодыхания нам пока не ясен, но, может быть, его полезная функция (если таковая существует) связана с тем, что оно играет необходимую роль в метаболизме азотистых соединений или в их переносе из одной органеллы в другую, обеспечивая превращение гликолата в глицин. Возможно также, что фотодыхание возникло на ранних этапах существования Земли с развитием фотосинтеза. В то время в земной атмосфере, очевидно, не было кислорода, поэтому фосфогликолат не мог образовываться под действием RuBP-карбоксилазы. Однако, когда кислород, выделявшийся в процессе фотосинтеза, начал накапливаться в атмосфере, в растениях, возможно, началось накопление фосфоглнколата, и, может быть, фотодыхание возникло в процессе эволюции как средство, позволявшее ограничить это накопление.

Не у всех растений фотодыхание в равной мере интенсивно. Заметно колеблется также и эффективность, с которой разные виды растений в процессе фотосинтеза фиксируют СОг. Интенсивность фотосинтеза у субтропических злаков, например у кукурузы, сахарного тростника и сорго ( 4.1), вдвое с лишним выше, чем у шпината, пшеницы, риса и бобов. Растения, более эффективно осуществляющие этот процесс (их называют С4-растениями; о них мы еще будем говорить ниже), используют иной путь усвоения СОг в обкладках сосудистых пучков листа (так называемый С t,-метаболизм), и мы здесь этот путь вкратце обсудим. К менее эффективной группе принадлежат все Сз-растения; они могут терять при световом дыхании до половины всего углерода, ассимилированного в процессе фотосинтеза.

Возможность регулировать фотодыхание представляет большой интерес для физиологов растений, поскольку урожаи некоторых культур можно было бы, очевидно, удвоить, если бы только удалось каким-то образом уменьшить эти потери потенциальных резервов растения. Попытки такого рода ведутся в разных направлениях. Исследуется, например, зависимость фотодыхания от экспериментальных условий с тем, чтобы, изменяя эти условия там, где это возможно, сводить таким путем фото-дыхание к минимуму. Высокая концентрация СОг, низкая концентрация кислорода и низкая интенсивность света ограничивают фотодыхание, чем, кстати, отчасти и объясняется тот факт, что «удобрение углекислотой» повышает скорость роста у многих растений. Испытываются также химические ингибиторы фотодыхания, которые не должны быть токсичными ни для самих растений, ни для питающихся ими животных. Селекционеры разыскивают варианты или мутанты растений с низкой интенсивностью фотодыхания и пытаются включить этот признак в генотип создаваемых сортов. Следует, однако, помнить, что подавление фотодыхания может у некоторых растений иметь вредные последствия. Недавно, например, в опытах по изучению роста растений сои, отличающихся высоким уровнем фотодыхания, выяснилось, что хотя при низких концентрациях кислорода фотодыхание снижается и растения вегетативно развиваются лучше, чем в обычной атмосфере, они не образуют зрелых семян, если концентрация Ог оказывается ниже 5%. Отсюда можно заключить, что у некоторых растений фотодыхание или какие-то сопутствующие ему реакции необходимы для того, чтобы жизненный цикл протекал нормально. Действительно, трудно представить себе, как фотодыхание могло бы возникнуть в про- цессе эволюции и сохраниться на всем ее протяжении, если бы оно было лишено какой бы то ни было приспособительной ценности.

С4-ФОТОСИНТЕЗ

В течение ряда лет считалось, что первым акцептором углерода у всех растений служит RuBP и что первыми стабильными продуктами фотосинтеза являются трехуглеродные соединения. Представление это подверглось пересмотру, после того как выяснилось, что в опытах с 14СОг некоторые растения, например кукуруза, сахарный тростник и родственные им тропические злаки, ведут себя необычно: метка включается у них в четырех- углеродные органические кислоты (щавелево-уксусную, яблочную и аспарагиновую) гораздо быстрее, чем в ФГК. Соответственно такие растения стали называть С4-растениями.

Листья многих С4-растений по своей анатомии отличны от листьев Сз-растений. Каждый сосудистый пучок окружен у них слоем крупных паренхимных клеток, или так называемой обкладкой сосудистого пучка, которая в свою очередь окружена слоем более мелких клеток мезофилла ( 4.18). Подобное строение получило название «кранц-анатомииХлоропласты в обоих этих типах клеток морфологически различны: в клетках обкладки сосудистого пучка они содержат очень большие крахмальные зерна и часто лишены гран, тогда как в клетках мезофилла в них хорошо выражены граны, но крахмала накапливается очень мало ( 4.19). Если в эксперименте разделить эти два типа клеток и измерить в них активность ферментов, то обнаружатся весьма четкие различия. В клетках мезофилла выше активность фосфоенолпируват(ФЕП)-карбоксилазы, катализирующей присоединение С02 к ФЕП с образованием щавелево- уксусной кислоты, а клетки обкладки превосходят клетки мезофилла по активности RuBP-карбоксилазы и других ферментов, принимающих участие в цикле Кальвина — Бенсона. Складывается впечатление, что обе эти группы клеток в С4-растениях кооперативно осуществляют превращение СОг в гексозу и последующее превращение гексозы в крахмал.

Первая из этих реакций протекает в клетках мезофилла. Здесь ФЕП присоединяет поступающую из атмосферы С02, в- результате чего образуется щавелевоуксусная кислота, которая у одних растений превращается в яблочную кислоту, а у других — в аспарагиновую. Согласно одной из гипотез, яблочная или аспарагииовая кислота диффундирует затем из клеток мезофилла в клетки обкладки и здесь декарбоксилируется с образованием С02 и трехуглеродного соединения. Последнее снова диффундирует в мезофилл, где происходит регенерация ФЕП, после чего цикл карбоксилирования повторяется с участием новой молекулы СОг, поступившей из атмосферы. Одновременно С02, высвободившаяся в клетках обкладки, вступает в цикл Кальвина — Бенсона, т. е. реагирует с RuBP, что приводит к образованию ФГК и других промежуточных продуктов, свойственных Сз-растениям, и в конце концов — к гексозофосфатам. Общая схема этих превращений представлена на  4.20. Ясно таким образом, что даже и у См-растений усвоение углерода в основном происходит при участии RuBP-карбоксилазы; конечная же реакция, приводящая к превращению гексозы в крахмал, протекает у них в клетках обкладки сосудистых пучков.

Мы уже отмечали, что С4-растения осуществляют фотосинтез более эффективно, нежели С3-растения, отчасти вследствие того, что фото дыхание выражено у них слабо и, значит, уже фиксированный углерод они впустую не расходуют. Такое поведение С4-растений, возможно, связано с особенностями их анатомии (с «кранц-анатомией»). Фотодыхание включает образование гликолата и его последующий распад в присутствии кислорода. В С4-растениях конечная фиксация СОг в цикле Кальвина — Бенсона протекает в клетках обкладки сосудистого пучка, плотно прижатых к соседним клеткам. Считается, что в такой компактной ткани, без межклетников, кислорода очень мало и что именно этот крайне низкий уровень кислорода лимитирует фотодыхание. Ясно также, что при отсутствии межклетников вокруг клеток обкладки затруднен и доступ СОг к хлороплас- там, так что если бы эти клетки функционировали обособленно, они не могли бы эффективно осуществлять фотосинтез. Возможно, что С4-клетки рыхлого мезофилла играют роль коллекторов С02 и концентрируют ее с помощью ФЕП-карбоксилазы в виде органических СЦ-кислот. Фермент ФЕП-карбоксилаза действительно способен выполнять эту задачу очень эффективно; он может фиксировать СОг, превращая ее в органические кислоты, при гораздо более низких ее концентрациях, чем это делает RuBP-карбоксилаза. Образовавшиеся таким путем органические кислоты транспортируются к хлоропластам, локализованным в- клетках обкладки. Здесь СОг высвобождается в высокой концентрации и при сравнительно низком содержании кислорода,, благодаря чему хлоропласты этих клеток могут весьма эффективно фиксировать СОг в виде Сахаров через цикл Кальвина — Бенсона. С этой точки зрения С4-фиюсация представляется чем- то вроде насоса, поставляющего СОг для Сз-пути. К этому можно добавить, что само положение клеток обкладки создает условия для передачи конечных продуктов фотосинтеза (в частности, сахарозы) непосредственно в ситовидные трубки флоэмы, по которым эти продукты могут затем транспортироваться в другие части растения.

Впрочем, возможно, что все это объяснение, хотя и вполне логичное, тем не менее неверно с биологической точки зрения. Как выяснилось недавно, даже и в недифференцированных культурах тканей С4-растений сохраняется низкий уровень фотодыхания. Между тем такие культуры выращиваются из одних только клеток мезофилла и, естественно, не могут обладать кранц-анатомией. Учитывая это обстоятельство, быть может, •следует считать, что данное объяснение справедливо в своей химической, но не в структурной части.

Благодаря своей способности к особенно эффективной утилизации СОг С4-растения могут фиксировать ее при более низких концентрациях, чем это делают С3-растения. Если, например, поместить по одному растению той и другой группы под стеклянный колпак, т. е. в пространство с ограниченным запасом СОг, то Сз-растение погибнет от истощения, до которого его доведет С4-растение. Произойдет это потому, что вся СОг, выделяемая Сз-растением в процессе фотодыхания, будет немедленно захватываться С4-растением, и Сз-растение «додышится», наконец, до полного исчерпания всех своих ресурсов. В  4.2 приведена сравнительная' характеристика этих двух групп растений.

Причины появления в процессе эволюции С4-пути не вполне ясны. Среди С4-растений встречается много тропических злаков. Поскольку с повышением температуры фотодыхание резко усиливается, способность ограничивать его в этих условиях, несомненно, можно считать преимуществом. Однако, до тех пор пока сама функция фотодыхания нам не известна, трудно судить о том, почему С4-путь возник и почему он имеется у одних растений и отсутствует у других. В тропических областях и пустынях С3- и CU-растения существуют бок о бок друг с другом и ни тот, ни другой тип не обнаруживает какого-либо преобладания.

Метаболизм органических кислот у растений семейства Crassulaceae (САМ-метаболизм)

Суккуленты, произрастающие в засушливых областях, например Cactus, Kalanchoe и Sedum, также фиксируют атмосферную С02 с рбразованием четырехуглеродных 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. Естественно, что потеря воды на испарение через открытые устьица ночью гораздо меньше, чем днем, т. е. при максимальной температуре и минимальной относительной влажности (см. гл. 6), а потому такой тип поведения представляет несомненную выгоду для растений пустыни. Эти растения поглощают в ночное время атмосферную СОг, образуя в результате ее фиксации четырехуглеродные органические кислоты, главным образом яблочную. Роль первичного акцептора углерода играет у них, как и у прочих С4-растений, ФЕП (трехуглеродное соединение). Днем, когда хлорофилл активируется светом, яблочная кислота декарбоксилируется с образованием трехуглеродного соединения и СОг, из которой затем и строятся шестиуглерод- ные сахара в цикле Кальвина — Бенсона. Из трехуглеродного соединения регенерируется фосфоенолпируват, который может теперь вновь выступать в роли акцептора С02. Подобное поведение, т. е. чередование на протяжении суток двух процессов — накопления кислот (в ночное время) и их распада (днем), получило название САМ-метаболизм , по семейству Crassulaceae, к которому принадлежат многие из таких суккулентов и в котором этот феномен был впервые обнаружен. У САМ-растений первичное карбоксилирование и образование шестиуглеродных Сахаров протекают 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.  4.21 иллюстрирует эти соотношения.

Конечные продукты фотосинтеза, гексозофосфаты, переводятся в крахмал для хранения и в сахарозу для транспортировки в другие части растения; кроме того, они превращаются в про-.' цессе дыхания в различные строительные блоки, необходимые растению. Все эти процессы мы рассмотрим в следующей главе.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВЫ

Зеленое растение представляет собой автотрофный организм, синтезирующий органические соединения путем фотосинтеза. При фотосинтезе потребляются двуокись углерода и вода, образуются органическое вещество и кислород, а лучистая энергия запасается в виде потенциальной энергии способных окисляться органических молекул. Кислород, выделяющийся при фотосинтезе, происходит из воды; следовательно, в процессе фотосинтеза стабильная молекула воды разлагается (претерпевает фотолиз) под действием лучистой энергии, поглощенной хлоропластом, и отданные ею электроны, пройдя по цепи промежуточных переносчиков, используются для восстановления С02 до уровня углеводов. Газообмен в листе осуществляется через устьица, вода поступает в лист по ксилеме, а отток углеводов идет через флоэму.

Суммарная скорость фотосинтеза определяется тем внутренним или внешним фактором, который по сравнению с другими факторами находится в минимуме. Для большинства растений таким лимитирующим фактором является свет, однако на ярком солнечном свету эта роль переходит к СОг. У хлоротичных рас- Тений (содержащих мало хлорофилла) лимитирующим фактором может быть данный пигмент. Содержание С02 в атмосфере составляет около 0,033%; оно увеличилось примерно на 10% в наше время, когда сжигаются такие большие количества ископаемого топлива. Поскольку атмосферная С02 задерживает тепловое излучение Земли, повышение ее содержания в атмосфере может со временем привести к заметному потеплению климата.

Спектр действия фотосинтеза, т. е. зависимость эффективности этого процесса от длины волны, показывает, что среди пигментов, участвующих в фотосинтезе, главную роль играет хлорофилл; функция вспомогательных пигментов сводится к тому, что они передают хлорофиллу поглощенную ими энергию. В фотосинтезе действуют совместно две фотосистемы; в обеих этих фотосистемах первым событием после поглощения кванта света является отрыв электрона и временный его захват соединением, для которого характерен высокий окислительно-восстановительный потенциал. От данного соединения электрон переходит затем к ряду других, с постепенно понижающимся окислительно- восстановительным потенциалом, и этот его переход сопровождается запасанием некоторого количества энергии в форме АТР. Такое образование АТР носит название фотофосфорилирования; АТР синтезируется хемиосмотическим путем, когда между наружной и внутренней стороной тилакоидной мембраны возникает градиент рН. Градиент устанавливается благодаря направленному переносу протонов пластохиноном, а также накоплению внутри тилакоида протонов, высвобождающихся в процессе фотолиза воды. Когда эти скопившиеся внутри тилакоида протоны диффундируют наружу по особым каналам в тилакоидной мембране, их энергия запасается путем синтеза АТР из ADP и Pi. Часть электронов, высвободившихся лри фотолизе воды, присоединяется к NADP+, восстанавливая его в fJADPH. Это соединение вместе с АТР используется затем для восстановления

С02 до уровня углевода. АТР и NADPH представляют собой продукты световых реакций фотосинтеза; все остальные соединения образуются в ходе темновых реакций. Молекула воды быстро разлагается, когда возникший в результате ионизации ион ОН- переносит электрон на возбужденную светом молекулу хлорофилла фотосистемы II, отдавшую один из своих собственных электронов; образовавшийся свободный радикал, ОН», распадается с выделением кислорода.

С02 связывается с находящимся в хлоропласте ферментом — рибулозобисфосфат(киВР)-карбоксилазой, с помощью которого присоединяется к RuBP. Трехуглеродный продукт этой реакции, фосфоглицериновая кислота (ФГК), может быть затем восстановлен за счет АТР и NADPH до' трехуглеродного сахара. Трех- углеродные сахара, соединяясь, образуют шестиуглеродные. Поскольку RuBP-карбоксилазе свойственно также сродство к кислороду, часть RuBP не карбоксилируется, а окисляется. Образовавшийся гликолат расщепляется в процессе фотодыхания, теряя С02. Этот процесс, присущий Сз-растениям, у которых вырабатывается .ФГК, выражен гораздо слабее у С4-растений, обладающих другим ферментом — фосфоенолпируват(ФЕП)- карбоксилазой, фиксирующим С02 с образованием четырехугле- родных кислот. Фиксированная таким путем С02 высвобождается в других клетках, окружение которых характеризуется низким содержанием кислорода; здесь эффективное превращение С02 в ФГК происходит без заметных потерь на фотодыхание. Эффективность фотосинтеза можно, по-видимому, повысить, научившись регулировать фотодыхание.

У суккулентных растений засушливых мест устьица открываются по ночам, т. е. фиксация С02 происходит у них в то время, когда потери воды сведены к минимуму. С02 фиксируется при участии ФЕП-карбоксилазы в виде четырехуглеродного соединения — яблочной кислоты. Затем на свету яблочная кислота декарбоксилируется, и отщепившаяся от нее С02 с помощью RuBP-карбоксилазы включается в цикл, в котором из нее образуются ФГК и в конечном счете сахара. Такой путь превращений носит название САМ-метаболизма, данное ему вследствие того, что впервые он был открыт у растений сем. Crassulaceae.

рекомендуемая литература

Coldsworthy А. 1976. Photorespiration, Carolina Biology Reader No. 80, Burlington, N. C., Carolina Biological Go., Govindjee, ed. 1975. Bioenergetics of Photosynthesis, New York, Academic Press. Gregory R. P. F. 1977. Biochemistry of Photosynthesis, 2nd ed., New York, Wiley.

Hinkle P. C., McCarty R. E. 1978. How Cells make ATP, Scientific American, 238 (3), 104—123.

Trebst A., Avron M„ eds. 1977. Photosynthesis I, Encyclopedia of Plant Physiology, New Series, Volume 5, Berlin-Heidelberg-New Yorb, Springer Verlag.

Zelitch I. 1971. Photosynthesis, Photorespiration, and Plant Productivity, New York, Academic Press.

Smith K., ed. Photochemical and Photobiological Reviews, New York and London, Plenum Press.

См. также рекомендуемую литературу по биохимии к гл. 2.

ВОПРОСЫ

4.1.      Солнечная радиация охватывает широкий диапазон длин волн, от очень малых (космические лучи) до весьма больших (радиоволны) (см.  1.3). Растения и животные используют, однако, лишь очень небольшую часть лучистой энергии, примерно в одном и том же интервале длин волн — от 400 до 750 нм. Чем можно это объяснить?

4.2.      В зоиах с умеренным климатом концентрация СОг в атмосфере меняется иа протяжении года циклическим образом: зимой оиа бывает примерно на 1,5% выше, чем летом. Объясните это явление.

4.3.      Что можно сказать о соотношении световых и темиовых реакций фотосинтеза? Какую количественную характеристику этого соотношения подсказывает вам  4.6?

4.4.      В хл. 2 мы рассмотрели ультраструктуру хлоропластов. Изложите соображения по поводу связи между тонкой структурой хлоропласта и функцией этой органеллы.

4.5.      Почему поглощающим пигментом при фотосинтезе считается хлорофилл, хотя лист содержит также ряд других пигментов, поглощающих свет? Какова функция этих других пигментов?

4.6.      Приведите доводы, вынуждающие нас считать, что фотосинтез включает не один этап, а состоит из ряда реакций.

4.7.      Какие соединения, образующиеся в световых реакциях фотосинтеза, используются при фиксации СОг?

4.8.      Эмерсон и Арнольд в 1932 г. обнаружили, что квантовый выход фотосинтеза можно увеличить, если вместо непрерывного освещения давать свет короткими вспышками с более длительными темновыми промежутками. Чем можно это объяснить?

4.9.      Гербицид диурон подавляет фотосинтез, ие влияя в заметной степени на дыхание. Как можно использовать это обстоятельство в исследованиях по фотосинтезу?

4.10.    Если зеленый лист освещать в отсутствие СОг, то он будет флуоресцировать. Введение СОг немедленно вызовет тушение флуоресценции. Чем можно это объяснить?

4.1Проследите пути перемещения и метаболическую судьбу атома водорода из молекулы воды от  момента, когда вода в виде дождя попадает в почву, и до момента, когда этот атом заканчивает свой путь и обнаруживается в молекуле крахмала в хлоропласте листа.

4.12.    Каким образом кооперативное взаимодействие электронов и протонов создает условия для образования АТР в процессе фотосинтеза?

4.13.    У растений, растущих на почвах, в которых не хватает определенных минеральных веществ, фотосинтез часто замедлен. Укажите вещества, недостаток которых мог бы вызвать такой эффект.

4.14.    В растениях присутствуют два важных фермента — рибулозобисфосфат (НиВР)-карбоксилаза и фосфоеиолпируват(ФЕП)-карбоксилаза. Опишите реакции, в которых участвует каждый из этих ферментов, укажите локализацию ферментов в листе и охарактеризуйте их функциональные взаимосвязи.

4.15.    Что служит при фотосинтезе «сырьем» для цикла Кальвина — Бенсона? На какой стадии происходит фиксация этого материала, что является конечным продуктом цикла, откуда берется энергия, необходимая для осуществления этого процесса, и на что (в химическом смысле) эта

энергия расходуется?

4.16.    При каких условиях RuBP-карбоксилаза может действовать также в как RuBP-оксигеиаза? Каков вероятный результат такой реакции?

4.17.    Почему у Сграстений отсутствует фотодыхание?

4.18.    Влияет ли свет на интенсивность дыхания? Поясните свой ответ.

4.19.    При фотодыхании образуются аминокислоты. Почему же в таком случае считают, что это неэффективный процесс и что материал в нем расходуется впустую?

4.20.    Какого рода опыты вы бы поставили для того, чтобы определить, принадлежит ли исследуемое растение к Сз- или С^типу?

4.21.    Чем фотосинтез у суккулентных растений отличается от фотосинтеза у мезофитов С3- и С4-типа?