Розглянуті нами в попередніх частинах два етапи фотосинтезу - фізичний і фотохімічний - об'єднують в так звану світлову фазу фотосинтезу. Тепер же мова піде про другу фазу фотосинтезу, часто званої темновой фазою.
Темнова фаза - не зовсім вдала назва. Якщо ми говоримо, що світлова фаза названа так, щоб підкреслити залежність всіх протікають в ній реакцій від світла, то назва «темновая фаза» означає, що всі реакції, в ній протікають, від світла не залежать і проходять в темряві.
Але це не зовсім точно. Дуже багато реакції темнової фази фотосинтезу залежать від світла, так як ферменти, що каталізують ці реакції, індукуються світлом. Тому цю фазу фотосинтезу краще називати шляхом перетворення вуглецю, або циклом фіксації вуглецю, - за основним процесу, який в ній відбувається.
(Тут потрібно обов'язково пояснити, що відбувається запис не чистого вуглецю, а вуглецю в складі вуглекислого газу СО2.)
Відзначимо, що поділ процесу фотосинтезу на дві фази відбувається не тільки по відношенню до світла, але і за місцем протікання реакцій. Реакції світлової фази протікають в Тилакоїди гран і строми, а реакції фіксації вуглецю протікають в матриксі (стромі) хлоропластів.
Варто звернути увагу учнів на те, що в літературі зустрічається і інша назва тилакоидов - ламелли гран. Взаємозв'язок термінів можна пояснити, зачитавши уривок з «Фізіології рослин» Н.І. Якушкіна: «Внутрішній простір хлоропластів заповнене безбарвним вмістом - стромой - і пронизане мембранами (ламелами). Ламелли, з'єднані один з одним, утворюють як би бульбашки - тилакоїди. У хлоропластах тилакоїди двох типів. Короткі тилакоїди зібрані в пачки і розташовані один над одним, нагадуючи стопку монет. Ці стопки називаються гранами, а складові їх ламелли - ламелами гран. Між гранами паралельно один одному розташовуються довгі тилакоїди. Складові їх ламелли отримали назву ламелли стром ».
Розглядаючи Z-схему, ми встановили, що кінцеві продукти циклічного і нециклічного фосфорилювання - АТФ і НАДФ. Н - використовуються в темнових реакціях фотосинтезу. Як же вони використовуються?
Якщо в світловий фазі АТФ і НАДФ. Н є кінцевими продуктами, то в процесі фіксації вуглецю вони використовуються на самому першому етапі всього циклу фіксації вуглецю. Весь цикл фіксації вуглецю можна представити у вигляді наступних стадій.
Перша стадія - безпосередня фіксація вуглекислого газу - карбоксилирование.
Друга стадія - утворення 3-фосфогліцерінового альдегіду (ФГА).
Третя стадія - утворення продуктів фотосинтезу.
Четверта стадія - відновлення початкових реагентів.
Перераховані стадії виділені умовно - разом вони складають цикл фіксації вуглецю, або цикл Кальвіна.
На відміну від світових реакцій, які протікали в суворій послідовності, реакції фіксації вуглецю можуть протікати паралельно, за винятком перших двох - фіксації вуглекислого газу і освіти ФГА. Розглянемо кожну стадію циклу.
карбоксилюванняЦя стадія - ключова, тому що в ній бере участь СО2. Молекула вуглекислого газу з'єднується з молекулою пятиуглеродного цукру рібулезодіфосфата (РДФ) з утворенням нестійкого шестіуглеродних з'єднання, яке потім розпадається на дві молекули 3-фосфоглицериновой кислоти (1).
Реакція карбоксилирования дуже цікава тим, що в залежності від умов вона може протікати з утворенням різних кінцевих продуктів. Так, наприклад, при наявності СО2 продуктом реакції буде тільки ФГК, а в присутності О2 РДФ не приєднуватися вуглекислий газ і розпадається на ФГК і фосфогліколевую кислоту, яка використовується в процесах фотодихання. Фотодихання - це процес, що протікає лише на світлі і супроводжується поглинанням О2 і виділенням СО2. Така зміна ходу реакції пояснюється тим, що бере участь в ній фермент володіє подвійний каталітичної активністю - по відношенню до углегіслому газу і кисню.
Цей фермент називається рибулозо-1,5-біфосфаткарбоксілаза-оксигенази (РуБФ-карбоксилаза). Цей фермент становить близько 50% всіх розчинних білків в листі і тому може вважатися найпоширенішим білком в природі. Фермент складається з двох субодиниць - великої і малої. Цікаво, що білки великих субодиниць кодуються ДНК хлоропластів, а білки малих субодиниць - ядерної ДНК. Великі суб'едінци мають каталітичну активність і під час відсутності малих, які, мабуть, грають регуляторну роль. Цей факт може служити підтвердженням того, що хлоропласти походять від прокариотических предків.
Таким чином, на перших етапах фіксації вуглецю має місце конкуренція між двома процесами - фіксацією вуглецю і Фотодихання. Для зсуву балансу в бік фіксації вуглецю необхідні іони Мg2 + (2).
Освіта фосфогліцерінового альдегідуУтвориться на першій стадії ФГК перетворюється в ФГА в два етапи (3 і 4). Спочатку використовується АТФ, синтезована в світловий фазі фотосинтезу. Потім використовується НАДФ. Н, який теж є продуктом світлової фази фотосинтезу.
Молекула ФГА є ключовим речовиною для третьої стадії.
Освіта продуктів фотосинтезуЗазвичай продуктом фотосинтезу називають цукор. Насправді продуктами фотосинтезу можна вважати і інші речовини, про що ми згадували при розгляді Z-схеми.
Молекула ФГА використовується рослиною в циклі Кальвіна в декількох напрямках.
По-перше, ФГА є основою для синтезу цукру.
По-друге, ФГА може бути використана для синтезу амінокислот.
Серед продуктів фотосинтезу виявлено такі амінокислоти, як аланін, серин, глутамінова кислота, гліцин. Синтез амінокислот відбувається інтенсивно при нестачі НАДФ. Н, в результаті чого з ФГК утворюється не ФГА, а пировиноградная кислота, яка є вихідним з'єднанням для синтезу амінокислот і одним з ключових речовин циклу Кребса.
По-третє, ФГА дає початок циклу перетворень деяких проміжних продуктів в РДФ, який служить акцептором вуглекислого газу.
Поряд з вуглеводами і амінокислотами з проміжних продуктів циклу Кальвіна можуть утворюватися ліпіди та інші продукти.
У всіх рівняннях фотосинтезу в правій частині пишеться формула шестіуглеродних цукру. Як правило, його називають глюкозою. Але в дійсності першим вільним цукром є дисахарид сахароза, з якої утворюються два моносахариду - глюкоза і фруктоза.
Відновлення початкових реагентівДля того щоб рослина могла акцептувати нову молекулу вуглекислого газу, необхідно мати РДФ, основний акцептор вуглекислого газу. РДФ утворюється з ФГА в результаті ланцюга реакцій, в процесі яких утворюються п'яти- і семіуглеродние цукру. Треба відзначити, що основна маса ФГА йде саме на відновлення потрібної кількості РДФ: з 12 утворилися молекул ФГА тільки дві йдуть на утворення продуктів фотосинтезу, тобто сахарози.
Підводячи підсумок розгляду фаз фотосинтезу, можна скласти узагальнену схему фотосинтезу (рис. 1).
Мал. 1. Узагальнена схема фотосинтезу
З огляду на реакції світлової та темнової фаз фотосинтезу, можна навести таке сумарне рівняння фотосинтезу.
6. Види фотосинтезуВ даний час відомі три різні механізми темнова реакцій фотосинтезу у вищих рослин. Але, мабуть, правильніше говорити про одне основному процесі і двох варіантах.
Основний механізм - це фіксація вуглецю в циклі Кальвіна. Останнім часом цей цикл стали називати С3-шляхом, або С3-типу, фотосинтезу, а рослини, які здійснюють тільки реакції цього циклу, називають С3-рослини. Такі рослини зазвичай ростуть в областях помірного клімату; оптимальна денна температура для фіксації вуглекислого газу у цих рослин становить від +15 до +25 ° С.
Перший варіант - це С4-шлях (або С4-тип фотосинтезу), званий також циклом Хетча-Слека. Рослини, які здійснюють даний тип фотосинтезу, поширені в тропічних і субтропічних областях.
Другий варіант - процес, відомий під назвою метаболізму органічних кислот по типу толстянкових (МОКТ- або САМ-фотосинтез). Рослини з таким типом фотосинтезу часто зустрічаються в посушливих пустельних областях.
С3-рослини перетворюють СО2 в вуглеводи тільки в реакціях циклу Кальвіна. С4-рослини і МОКТ-рослини також здійснюють цикл Кальвіна, але в них поглинання СО2 і перетворення його в вуглеводи включає в себе і інші реакції. С4-рослини і МОКТ відрізняються один від одного природою цих додаткових реакцій, часом доби, коли вони відбуваються, і тим, у яких клітинах знаходяться речовини, які беруть участь в цих реакціях.
У С3-рослини фотосинтез відбувається тільки в клітинах мезофіла листа, а у С4-рослини - в клітинах мезофіла і в клітинах обкладки судинних пучків.
С4-тип фотосинтезуУ найзагальніших рисах шлях вуглецю в реакціях С4-типу фотосинтезу показаний на рис. 2.
Мал. 2. Схематичне зображення шляху вуглецю при С4 -фотосінтезе. С3 -соєдіненія містять три атома вуглецю в молекулі, С4 -соєдіненія - чотири
Цикл Кальвіна у даного типу рослин здійснюється в клітинах обкладки судинного пучка і протікає так само, як у С3-рослини.
Фіксація вуглекислого газу у С3 - і С4-рослини істотно відрізняється. Якщо у С3-рослини молекула вуглекислого газу приєднувалася до пятиуглеродного молекулі РДФ, то у С4-рослини акцептором вуглекислого газу є трехуглеродная молекула, найчастіше - це фосфоєнолпіровіноградная кислота (ФЕП). З'єднуючись з вуглекислим газом ФЕП перетворюється в щавлевооцтову кислоту (ЩУК), яка і надходить в хлоропласт клітин мезофіла. У хлоропластах ЩУК при наявності НАДФ. Н перетворюється в яблучну кислоту (ЯК), яка надходить в клітини обкладки судинних пучків. У клітинах обкладки судинних пучків ЯК віддає молекулу вуглекислого газу в цикл Кальвіна, перетворюючись в пировиноградную кислоту (ПВК). ПВК, в свою чергу, повертається в хлоропласти мезофіла, перетворюється в ФЕП, і починається новий цикл (рис. 3).
клітина обкладки судинного пучка
Мал. 3. Фотосинтез С4-типу (на прикладі кукурудзи)
Збільшення числа реакцій для фіксації вуглекислого газу у С4-рослини на перший погляд може здатися зайвим і безглуздим. Але це тільки на перший погляд. Рослинам з С4-типу фотосинтезу припадає концентрувати вуглекислий газ в клітинах обкладки, тому що в порівнянні з С3-рослини в їх клітинах вуглекислого газу міститься значно менше. Це пов'язано з тим, що С4-рослини живуть в більш теплому і сухому кліматі, ніж С3-рослини, тому для зменшення втрат води їм доводиться зменшувати транспирацию. За рахунок цього створюються труднощі в поглинанні вуглекислого газу, що і призводить до необхідності його концентрації. В даний час вважається, що С4-тип фотосинтезу є еволюційним пристосуванням до більш спекотним і сухим кліматичних умов.
Метаболізм органічних кислот по типу толстянкових (МОКТ)Рослини з даним типом фотосинтезу є в основному суккулентами.
Для МОКТ-рослин характерні такі особливості.
1. Їх продихи зазвичай відкриті вночі (тобто в темряві) і закриті протягом дня.
2. Фіксація вуглекислого газу відбувається в темний час доби. При цьому утворюється значна кількість яблучної кислоти.
3. Яблучна кислота запасається в великих вакуолях, які характерні для клітин МОКТ-рослин.
4. У світлий час доби яблучна кислота віддає вуглекислий газ в цикл Кальвіна, де вона перетворюється в сахарозу або запасний вуглевод глюкан.
5. У темновой період доби частина запасеного глюкана розпадається з утворенням молекул-акцепторів для темновой фіксації вуглекислого газу (рис. 4).
Мал. 4. Схема МОКТ-типу фотосинтезу
На закінчення треба додати, що фотосинтез по МОКТ-типу вважається самим пізнім пристосуванням рослин в процесі еволюції.