Физиология растений: фотосинтез, хлорофилл, хлоропласты и производительность растений

ФОТОСИНТЕЗ

Фотосинтез является единственным механизмом получения энергии для биосферы (за исключением процессов, происходящих у некоторых хемосинтезирующих бактерий, которые получают энергию от окисления неорганических субстратов). Фотосинтез включает в себя окислительно-восстановительные реакции. В общем, в процессе окисления молекулы воды высвобождаются электроны с выделением кислорода и восстановлением диоксида углерода с образованием углеводов (Salisbury и Ross, 1994).

Фотосинтез важен для человека, среди прочего, потому что через него производится пища и кислород (Barcelo и др., 1983). Кроме того, он прямо или косвенно кормит почти весь живой мир на планете (Campbell и Reece, 2005).

Первые организмы-фотосинтезаторы, вероятно, появились 3 миллиарда или 3,5 миллиардов лет назад. По мере их распространения они устанавливали взаимозависимости и отношения, которые не только трансформировали их, но и изменили внешний облик планеты. Древние организмы жили в среде без свободного кислорода в атмосфере, в состав которой входил большой процент водорода. Кислород, даже был токсичным для этих примитивных организмов, так же, как в настоящее время для анаэробов. Энергия приобреталась такими процессами, как ферментация или гликолиз, что должно было привести к постепенному накоплению углекислого газа в ранней атмосфере. Если бы живые существа использовали сразу солнечную энергию, используя углекислый газ и выделяя кислород, они, безусловно, более эффективно использовали бы ресурсы своей окружающей среды, отметив веху в истории и эволюции жизни на планете. Условием фотосинтеза является поглощение фотонов, квантовых частиц определенными пигментами (Curtis и Barnes, 2001).

Фотосинтез представляет собой эндергонический процесс, потому что необходимо участие энергии солнечного излучения, чтобы начать цепные реакции, которые приводят к образованию органических соединений, которые накапливает организм.

Общая реакция фотосинтеза:

(CH2O)n- это сокращенная форма представления крахмала или других углеводов по эмпирической формуле. Крахмал является наиболее распространенным продуктом фотосинтеза. Фотосинтез зависит от различных факторов окружающей среды, таких как интенсивность и качество освещения, влажность воздуха, температура, наличие воды, минеральных веществ и углекислого газа. Фотосинтез одного листа опирается на более, чем 50 индивидуальных реакций, каждая из которых зависят от параметров окружающей среды (Cogua, 2011).

Способность растений компенсировать воздействия окружающей среды зависит от их производительности и выживания в конкретной среде. Скорость фотосинтеза может измениться в течение следующих десятилетий в зависимости от приспособительных реакций к изменению уровней CO2, начиная от прямых реакций собственно на CO2, вплоть до косвенных реакций в связи с изменением температуры и водного режима, которые могут произойти в будущем (Cogua, 2011).

Хлоропласты

Клеточными органеллами, в которых происходит фотосинтез, являются хлоропласты.

Размер и форма хлоропластов изменчивы; они происходят из структур, известных как протопластиды (молодые хлоропласты), которые делятся по мере развития эмбриона. Хлоропласты окружены двойным набором мембран, контролирующих движение наружу и внутрь молекул. Внутренне они состоят из студенистого материала, богатого ферментами, называемого строма. Здесь происходит реакция превращения диоксида углерода в углеводы. Хлоропласты имеют пластинчатые мембраны и плоские закрытые «мешочки», похожие на пузырьки, называемые тилакоидами. Тилакоиды образуют стопки, называемые гранами, которые соединены между собой другими тилакоидами более вытянутой формы. В тилакоидных мембранах находятся хлорофиллы и другие пигменты, которые участвуют в поглощении света, ферменты для переноса электронов и фактор связи для образования АТФ (ATP). Основные пигменты, присутствующие в тилакоидных мембранах — хлорофилл a и хлорофилл b. В свою очередь, там найдены и другие пигменты, называемые каротинами и ксантофиллами (Salisbury и Росс, 1994).

Пигменты фотосинтеза

Чтобы световая энергия могла быть использована живыми существами, она должна быть поглощена фотосинтезирующими пигментами. Эти пигменты представляют собой вещества, способные поглощать свет на определенных длинах волн, например, хлорофилл – пигмент, который придает растениям характерный зеленый цвет, поглощает свет на длинах волн, соответствующих фиолетовому, синему и красному цвету, отражая зеленый цвет (Azcon и Talon, 1993).

Хлорофилл

Структура молекулы хлорофилла

Хлорофилл является тетрапиррольным соединением, т.е. состоит из четырех пиррольных колец, соединенных метильными мостиками, которые образуют порфирин. Тетрапиррол является основной структурой порфирина, который, как и в хлорофилле, является частью гемоглобина и цитохрома.

В центре структуры находится металл (магний). Кольцо IV этерифицируется спиртом (фитолом), состоящим из серии из двадцати атомов углерода с двойной связью. Это «хвост» восковой природы, который приводит к тому, что пигмент является нерастворимым в воде, но растворим в некоторых органических растворителях. Отсюда и двойственная природа хлорофилла с центром гидрофильного порфирина и гидрофобным фитолом (Azcon и Talon, 1993).

Хлорофиллы a и b

Как упоминалось выше, хлорофилл a – это пигмент, непосредственно связанный с превращением световой энергии в химическую. Тем не менее, существует еще один тип хлорофилла, хлорофилл b, и пигменты, называемые каротиноидами, которые бывают красными, оранжевыми или желтыми, и которые в зеленых листьях маскируются обилием хлорофиллов. Эти дополнительные пигменты хлорофилла позволяют растениям поглощать более широкий диапазон спектра света, доступного для фотосинтеза, действуя в качестве рецепторов, которые передают энергию. Также существует хлорофилл с, найденный в бурых водорослях. В красных водорослях найден хлорофилл d. Наконец, существует тип хлорофилла (бактериохлорофилл), который является пигментом фототрофных бактерий (Cogua, 2011).

Каротиноиды

Желтые и красные пигменты, известные как каротиноиды, имеют систему сопряженных двойных связей, образованных атомами углерода, являются соединениями, нерастворимыми в воде, но растворимы в жировых растворителях. Они разделены на ненасыщенные углеводороды или каротины и кислородсодержащие производные, называемые ксантофиллами. В растениях каротиноид называется бета-каротином. Это пигменты красного, оранжевого или желтого цвета (Curtis и Barnes, 2001). Каротиноиды, участвующие в процессе фотосинтеза, называются первичными, в отличие от тех, которые находятся в цветах и плодах, формируя хромопласты, и в гетеротрофах, таких как бактерии, дрожжи и грибы (Cogua, 2011).

Организация пигментов в тилакоидах

Как отмечено выше, структурные единицы фотосинтеза у эукариот представляют собой хлоропласты, расположенные преимущественно в листьях. Внутренние ткани каждого листа покрыты эпидермальными клетками, покрытыми кутикулой, восковым слоем. Кислород и углекислый газ проникают в листья через специальные поры, называемые устьицами. Высокий процент фотосинтеза происходит в клетках палисадной паренхимы, которые расположены под эпидермисом и образуют мезофилл. Хлоропласты ориентированы внутри клеток, чтобы облегчить поглощение света тилакоидными мембранами (Curtis and Barnes, 2001).

Стадии фотосинтеза

Английский физиолог Ф. Блэкмэн (F. F. Blackman) после проведения различных экспериментов предположил, что в процессе фотосинтеза существует, по крайней мере, два ограничивающих фактора: интенсивность света и температура. Поэтому существует группа реакций, которые зависят от света, но не зависят от температуры, как видно из общей схемы фотосинтеза (Рисунок 3) (Curtis and Barnes, 2001).

В опытах Блэкмэна скорость реакций, которые зависят от температуры, увеличивалась лишь около 30°С. Затем скорость уменьшалась. На основании экспериментальных данных он сделал вывод, что эти реакции контролировались ферментами, так как это способ, по которому ферменты предположительно реагируют на температуру. Это способствовало дифференциации стадии световых реакций, зависящей от света и ферментативной стадии, не зависящей от света, или «темновых» реакций. Эти последние реакции нуждаются в химических веществах, синтезированных в «световых» реакциях, но они могут происходить и в светлых, и в темных условиях (Curtis и Barnes 2001).

Общая схема фотосинтеза

Поглощение света

Световые реакции можно резюмировать следующим образом. Светопоглощающие пигменты делятся на две группы: те, которые поглощают и передают энергию к реакционному центру, и те, которые образуют этот реакционный центр, представляющий собой определенный тип молекул хлорофилла (хлорофилл a P680 и Р700) и осуществляют фотохимическую реакцию.

Для обеспечения фотосинтеза требуется сотрудничество двух типов фотосистем, называемых I и II (PS I и PS II). В PS II вода используется в качестве донора электронов, выделяя кислород в качестве побочного продукта. В PS I восстанавливается терминальный акцептор, отдавая электрон ферредоксину, чтобы с его помощью восстановить НАДФ (NADP), которая, наконец, используется для превращения CO2 в углеводы (Melgarejo, 2010).

Фотосистемы I и II работают вместе, хотя в то же время фотосистема I может работать независимо, как это описано на рисунке.

В данной модели энергия света достигает фотосистемы II, где она захватывается молекулой хлорофилла a P680. Электрон молекулы Р680 высвобождается на более высоком энергетическом уровне, из которого он передается к молекуле первичного акцептора электронов. Электрон проходит вниз на фотосистему I вдоль цепи переноса электронов. В результате потока электронов вдоль транспортной цепи устанавливается протонный градиент по всей тилакоидной мембране; потенциальная энергия этого электрохимического градиента используется для формирования АТФ (ATP) из АДФ (ADP) – хемиосмотического процесса, аналогичного процессу у митохондрий. Этот процесс известен как фотофосфорилирование (Curtis и Barnes, 2001).

Одновременно выделяются три других действия:

1. Молекула хлорофилла P680, теряя свой электрон, ищет замену. Она находит ее в молекуле воды, которая, будучи прикрепленной к молекуле, содержащей марганец, лишается электрона, а затем распадается на протоны и газообразный кислород.

2. Дополнительно световая энергия захватывается в реактивной молекуле хлорофилла Р700 фотосистемы I. Молекула окисляется, и электрон высвобождается в первичный акцептор электронов, из которого он перемещается вниз по направлению к НАДФ+ (NADP+).

3. Электрон, удаленный из молекулы P700 фотосистемы I, замещается электроном, который перемещался вниз от первичного акцептора электронов фотосистемы II. Таким образом, на свету происходит непрерывный поток электронов от воды к фотосистеме II, к фотосистеме I, к НАДФ+ (CURTIS, Helena, BARNES, Sue, 2001). Энергия, восстановленная на этих этапах, представлена молекулой АТФ (ATP) (образование которой высвобождает молекулу воды) и НАДФH (NADPH), которые затем преобразуются в основные источники энергии для восстановления углекислого газа. Для генерации одной молекулы НАДФН необходимо поглотить 4 протона: 2 фотосистемой II и 2 фотосистемой I (Curtis и Barnes, 2001).

Восстановление и фиксация CO2

На второй стадии фотосинтеза энергия используется для восстановления углерода. Углерод доступен для фотосинтезирующих клеток в форме диоксида углерода. У растений двуокись углерода достигает фотосинтезирующих клеток через специализированные отверстия листьев и зеленых стеблей, называемые устьицами (Curtis и Barnes 2001).

На этой второй стадии фотосинтеза, АТФ и НАДФН, сформированные на первой стадии, используются для восстановления углерода из диоксида углерода до простого сахара. Затем химическая энергия, временно хранящаяся в молекулах АТФ и НАДФН, передается соответствующим молекулам для транспортировки и хранения энергии в клетках водорослей или органов растений. Результатом этого процесса является формирование углеродного скелета, из которого затем могут быть построены и другие органические молекулы (Cogua, 2011).

Реакции фиксации углерода проходят в условиях, которые не требуют света, но некоторые ферменты регулируются им и производятся в строме посредством цикла Кальвина (Рисунок 5). НАДФ и АТФ, образованные в реакциях, которые поглощают световую энергию, используются для восстановления углекислого газа. Цикл производит глицеральдегид фосфат, из которого может быть сформирована глюкоза и другие органические соединения (Cogua, 2011).

Цикл Кальвина

Это преобразование происходит в строме хлоропластов. CO2 поступает в хлоропласт, проходя через клеточные мембраны органеллы по определенным каналам. Этот газ поступает в тело растения, благодаря устьичному отверстию, которое в то же время облегчает выделение водяного пара в процессе, известном как транспирация (Cogua, 2011). Цикл Кальвина представляет собой центральный путь восстановления СО2 до органических молекул. Он начинается, когда фермент рибулоза 1,5 бифосфат карбоксилаза оксигеназа (Rubisco) выполняет карбоксилирование СО2 и дает начало двум молекулам из трех атомов углерода (Melgarejo, 2010). Чтобы выяснить это, было проведено несколько экспериментов, которые были успешными, благодаря использованию радиоизотопов в зеленых водорослях Chlorella pyrenoidosa и Scenedesmus obliquus. После получения 14СО2 в течение 60 секунд в культурах вышеупомянутых водорослей появляется несколько меченых соединений; фосфаты сахаров, органические кислоты и аминокислоты. Сокращая время применения С14О2 шаг за шагом, удалось восстановить образованные меченые продукты. Менее чем за 2 секунды появляется только одно меченое соединение, 3-фосфоглицериновая кислота (3-PGA), состоящая из трех атомов углерода. Таким образом, первая стадия восстановления СО2 состоит в карбоксилировании, в ходе которого СО2 включается в молекулу акцептора, имеющую 5 атомов углерода, рибулозо-1,5-дифосфат, расщепление которого приводит к образованию двух молекул 3-PGA. Механизм восстановления СО2 является циклическим процессом из нескольких частичных ферментативных стадий (Мельгарехо, 2010).

Метаболизм Хэтча/Слэка

Существуют и другие адаптивные процессы у различных типов растений, например, некоторые растения присоединяют диоксид углерода к первому соединению, известному как фосфоенолпировиноградная кислота или фосфоенолпируват (РЕР) с образованием соединения из четырех атомов углерода, щавелевоуксусной кислоты (промежуточное соединение в цикле Кребса). Среди других растений, которые имеют этот тип метаболизма, кукуруза и сорго. У них диоксид углерода, включенный в щавелевоуксусную кислоту, окончательно переносится в RuBP и входит в цикл Кальвина, но только после прохождения ряда реакций, которые транспортируют его в более глубокие участки внутри листа. Эти реакции протекают в клетках мезофилла, где хлоропласты характеризуются наличием обширной сети тилакоидов, организованных в хорошо развитые граны. Яблочная или аспарагиновая кислота, в зависимости от вида, транспортируются к клеткам обкладки сосудистого пучка, благодаря сети плазмодесм. Хлоропласты этих клеток, которые образуют плотные оболочки вокруг сосудистых пучков листа, имеют неразвитые граны и часто содержат граны крахмала. Растения, использующие этот путь, или путь Хэтча-Слэка, обычно называют C4-растениями, благодаря 4-углеродному соединению, которое служит в качестве акцептора СО2 (Cogua, 2011).

Кислотный метаболизм Толстянковых или растения MAC (CAM)

Существуют некоторые виды растений сухого климата, которые имеют толстые листы, с низким соотношением поверхности к объему, толстой кутикулой и низкой скоростью транспирации. Такие растения называются суккулентами. Как правило, фотосинтезирующие клетки листьев или стебля у них представлены в губчатом мезофилле. У некоторых суккулентов метаболизм CO2 необычен, первоначально исследован у членов семейства Толстянковых, поэтому его называют Кислотный метаболизм Толстянковых (Crasulaceae Acid Metabolism (CAM или MAC) по-английски).

Новый фотосинтетический путь, упомянутый выше, был найден у некоторых растений суккулентов или полусуккулентов из родов Бриофи́ллум, Каланхоэ, Седум, Клейния, Толстянка, Опунция (Salisbury и Ross, 1994). MAC или CAM растения поглощают диоксид углерода в течение ночи, фиксируя в органических кислотах, которые подкисляют среду и высвобождают его в течение дня, чтобы сразу же использовать в цикле Кальвина. Этот тип метаболизма уменьшает потери воды, связанные с открытием устьиц. (Cogua, 2011).

Факторы окружающей среды и фотосинтез

Подсчитано, что количество углерода, который фиксируется каждый год на планете, колеблется от 70000 до 120000 млн. тонн или эквивалентно около 170 – 290 гигатоннам сухого вещества, с минимальной формулой 0. Эта огромная производительность имеет место, несмотря на низкую концентрацию в атмосфере. Более 13% атмосферного углерода используется каждый год в процессе фотосинтеза, и почти равное количество обменивается при растворении в океанах. На фотосинтез оказывают влияние такие факторы, как вода, концентрация СО2, свет, питательные вещества и температура, а также возраст и генетика растений (Salisbury и Ross, 1994).

CO2

Количество СО2 является фактором, определяющим производительность, тем не менее некоторые реакции фотосинтеза могут быть осуществлены в его отсутствие. Однако, без этого газа не будет синтеза углеводов. Концентрация CO2 в атмосфере не является оптимальной для фотосинтеза, в сельскохозяйственной практике используется искусственное добавление газообразного СО2 в условиях постоянного освещения, для увеличения фотосинтетической скорости и урожайности при производстве биологического материала (Salisbury и Ross, 1994). CO2, как известно, производит немедленное увеличение скорости фотосинтеза, особенно у C3-растений. Однако, когда растения растут непрерывно с повышенным уровнем СО2, происходят биохимические изменения, которые снижают фотосинтетическую способность листьев, поэтому большой начальный рост фотосинтеза при высокой концентрации СО2 обычно не сохраняется таким же высоким, когда проходят несколько недель или месяцев. Это явление известно как акклиматизация фотосинтеза (Cogua, 2011).

Вода

Внеклеточно у высших растений вода транспортирует такие материалы, как соли, которые перемещаются от корней ко всем частям растения. Помимо того, что она является сырьем в процессе фотосинтеза, вода способствует в качестве реагента нескольким метаболическим реакциям. Ионы, образующие молекулу воды (Н) и (ОН) собираются и рекомбинируются в новые молекулы воды (Cogua, 2011).

Свет

Нет света, нет фотосинтеза, растения нуждаются в свете с точки зрения интенсивности и качества излучения. С увеличением интенсивности света увеличивается фотосинтетическая интенсивность вначале по линейной зависимости, а затем плавно уменьшается и, наконец, достигает постоянного значения, т.е. фотосинтетическая способность насыщается светом. Это значение насыщения достигается различными видами с разной скоростью. У светолюбивых растений это происходит после достижения высокой интенсивности излучения, а у тенелюбивых растений это насыщение достигается быстро, то есть требуется низкая интенсивность света (Cogua, 2011).

Температура

Зависимость фотосинтеза от факторов света и температуры позволяет сделать вывод, что фотосинтез не является непрерывным процессом, а состоит из множества фотохимических реакций, которые зависят от света и серии ферментативных реакций, зависящих от температуры. Последние очевидны в состоянии насыщения света, точке, в которой повышение температуры увеличивает фотосинтетическую интенсивность (Cogua, 2011). Транспорт, промышленность, вырубка лесов, сельское хозяйство и другие виды деятельности человека вызывают увеличение концентрации CO2 и других газов в атмосфере, таких как метан. Скопление этих газов имеет тенденцию к нагреву атмосферы, что может привести к региональным или глобальным изменениям, которые повлияют на такие параметры, как температура, осадки, влажность почвы и уровень моря, все они связаны с фотосинтезом и, следовательно, с самой жизнью на планете. (Cogua, 2011).

Инга Костенко, Mivena,Украина

Анна Устименко, Клуб Sirius Agro Plant

Universidad Nacional de Colombia