При изучении кинетики и продуктов фотосинтеза (И. А. Тарчевский и Ю. С. Карпилов; австралийские ученые М. Хетч, С. Слэк и др.) было установлено, что у некоторых короткодневных растений тропического происхождения (кукуруза, сахарный тростник, сорго, просо и др.) в первые секунды освещения фиксация и превращение СО2 осуществляются не по циклу Кальвина и первичными продуктами фотосинтеза являются не трехуглеродные соединения, а основная часть углерода включается в аспарагиновую и яблочную кислоты. При фотосинтезе в листьях этих растений в атмосфере 14СО2 радиоактивная метка появляется прежде всего и в большом количестве в четвертом атоме углерода дикарбоновых малата и аспартата, потом в первом углеродном атоме фосфоглицериновой кислоты, затем в гексозофосфатах и наконец в свободных сахарах.
Исследования М. Хетча и С. Слэка, а также других ученых показали, что существует путь фотосинтетического образования четырехуглеродных соединений (аспартата и малата), который осуществляется с помощью еще одной реакции карбоксилирования, где акцептором СО2 является фосфоенолпировиноградная кислота (ФЕП):
В листьях однодольных и двудольных растений, в которых происходит фосфоенолпируватное поглощение СО2, всегда имеется густая сеть мелких сосудистых пучков, окруженных крупными хлорофиллоносными клетками обкладочной паренхимы. В этих клетках функционирует восстановительный пентозофосфатный цикл Кальвина. В клетках мезофилла листьев данный цикл представлен лишь реакциями восстановления трехуглеродного акцептора. Хлоропласты клеток обкладочной паренхимы более крупные по сравнению с клетками мезофилла и не имеют гран — агранальные хлоропласты. Из общего числа хлоропластов на срезе листа кукурузы в световой микроскоп можно обнаружить около 80% хлоропластов мезофилла и 20% хлоропластов обкладочной паренхимы, которые имеют в 4-6 раз меньше мембран и во столько же раз меньше содержит хлорофилла, каротиноидов, белка и липидов.
Первичные углеводы, образующиеся в хлоропластах мезофилла, перемещаются в сосудистые пучки, и избыточная часть их в хлоропластах клеток обкладочной паренхимы превращается в крахмал, а ее клетки являются как бы депо крахмала.
Таким образом, возникло представление о совместном механизме с сопряженными превращениями углерода по пентозофосфатному циклу и по пути образования С4-продуктов.
Этапы фосфоенолпируватного поглощения углекислого газа следующие.
- Пируват + АТФ + Фн → ФЕП+ФФ+АМФ. Эта реакция катализируется ферментами пируватортофосфатдикиназой и аденилаткиназой.
- ФЕП + СО2 → ЩУК + Фн — катализируется фосфопируват-карбоксилазой.
- Реакции превращения ЩУК в малат и аспартат, катализируемые ферментами малатдегидрогеназой и аспартатаминотрансферазой.
- Транспорт к месту локализации ферментов цикла Кальвина, малата и аспартата, декарбоксилирование их или перенос карбоксильного радикала на пятиуглеродный акцептор СО2 и образование ФГК (рис. 35).
У тропических растений ферменты цикла Кальвина (рибулозодифосфаткарбоксилаза и фосфорибулокиназа) локализуются главным образом в хлоропластах клеток обкладочной паренхимы проводящих пучков, в хлоропластах клеток мезофилла сосредоточены ферменты пируватфосфатдикиназа (белок с сульфгидрильными группами) и аденилаткиназа (рис. 36).
Рис. 35. Основные черты фотосинтетического метаболизма в клетках мезофилла и обкладочной паренхимы сосудисто-волокнистых пучков.
Исследования показали, что карбоксилирующий фермент хлоропластов мезофильных клеток — фосфопируваткарбоксилаза по своей активности в десятки и сотни раз превышает активность фосфопируваткарбоксилазы в растениях, где преобладает цикл Кальвина. Активность фермента пируватфосфатдикиназы, являющегося характерным ферментом для пути С4 зависит от света (неактивен в темноте).
В заключение следует сказать, что растения с С4-продуктами фотосинтеза при высоких интенсивностях света (интенсивность фотосинтеза 60 и 100 мг СО2 на 1 дм2/ч) характеризуются менее интенсивным световым дыханием.
Для С4-растений характерны отсутствие обратного потока углекислого газа при фотодыхании и повышенные синтез и накопление органического вещества. Они исключительно светолюбивы. Как считает Б. С. Мошков, для С4-растений оказываются полезными круглосуточное облучение, повышенная и равномерная температура в течение суток без снижения ее в ночное время.
Рис. 36. Схема пута С4-дикарбоновых кислот при фотосинтезе. Системы, участвующие в ассимиляции углекислого газа в хлоропластах мезофильной ткани и обкладочной паренхимы:
1 — фосфопируваткарбоксилаза; 2 — малатдегидрогеназа (декарбоксилирующая); 3 — аспартатаминотрансфераза; 4 — пируватфосфатдикиназа; 5 — аденилаткиназа; 6 — не органическая пирофосфатаза; 7 — предполагаемая С4-транскарбоксилаза; 8 — фосфоглицераткиназа; 9 — глицеральдегидрофосфатдегидрогеназа; 10 — триозофосфатизомераза; 11 — фруктозодифосфатдегидрогеназа; 12 — гексозодифосфатаза; 18 — реакции подобные реакциям цикла Кальвина; 14 — рибозофосфатизомераза и эпимераза; 15 — фосфорибулокиназа; 16 — возможные реакции, ведущие к образованию С2-соединений из фосфатов сахаров; 17 — фосфоглицеромутаза и энолаза.
Таким образом, сопряженный механизм фотосинтеза и низкий уровень фотодыхания у этой группы растений обусловливают их высокую фотосинтетическую продуктивность.
У большой группы растений семейства Crassulaceae — суккулентов (кактусы, заячья капуста, агава, алоэ и др.) особенности метаболизма заключаются в том, что у них в ночное время поглощается СО2 и синтезируется большое количество яблочной и изолимонной кислот. Днем, когда идут процессы фотосинтеза, эти кислоты исчезают. Устьица днем у них закрыты и открываются только ночью. Растения приспособились обходиться малым: количеством воды, дневная транспирация у них отсутствует.
Накопленная ночью двуокись углерода днем включается в состав органических веществ в процессе фотосинтеза. Механизм фотосинтеза у них, по-видимому, осуществляется по такой схеме:
ночью: С6Н10О5 (крахмал) → ФЕП4 + СО2 (газ) → 2 оксалоацетат → 2 яблочная кислота + 4 водород;
днем: яблочная кислота + малатдегидрогеназа → СО2 (включается в цикл Кальвина, как и у растений С4) + остаток пирувата (снова превращается в крахмал).