Фотодыхание. Основные аспекты в истории открытия. Отличия от темновой фазы.

Подготовили студентки 2 курса

Акинина Александра и Бедокурова Анастасия.

Фотодыхание. Основные аспекты в истории открытия. Отличия от темновой фазы.

Фотодыхание (гликолатный путь, С₂-фотосинтез) — стимулируемое светом выделение углекислого газа и поглощение кислорода у растений преимущественно с С₃-типом фотосинтеза. Также под фотодыханием понимают биохимический путь, связанный с регенерацией одной молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (С3) из двух молекул гликолевой кислоты (С2) и лежащий в основе вышеописанного газообмена. Наличие биохимического механизма фотодыхания обусловлено значительной оксигеназной активностью РуБисКО, ключевого фермента цикла Кальвина.

Поглощение кислорода в ходе фотодыхания обусловлено оксигеназной активностью РуБисКО в хлоропластах и работой оксидазы гликолевой кислоты в пероксисомах. Кроме того, окисление образовавшегося в митохондриях НАДН также сопряжено с поглощением кислорода. Выделение углекислого газа (С1) при фотодыхании происходит в митохондриях и связано с конденсацией двух молекул глицина (С2) с образованием одной молекулы серина (С3) (последовательная работа двух ферментов: глициндекарбоксилазы и серингидроксиметилтрансферазы). Также в реакции конденсации глицина в митохондриях выделяется аммиак, который реутилизируется в результате работы глутаминсинтетазы и глутаминоксоглутаратаминотрансферазы (ГС/ГОГАТ-путь). При фотодыхании расходуется АТФ (не происходит запасания энергии) синтезированный в ходе фотофосфорилирования. Также окисление гликолевой кислоты в пероксисомах в ходе фотодыхания служит основным источником токсичного пероксида водорода в фотосинтезирующей растительной клетке.

Первые свидетельства фотодыхания были получены в 1920 г. немецким биохимиком Отто Варбургом. При исследовании водорослей рода Chlorella было показано ингибирование фотосинтеза (поглощения углекислого газа) при повышении концентрации кислорода. Этот эффект наблюдался как при высоких, так и при низких интенсивностях света и позднее получил название эффекта Варбурга.

Явление фотодыхания открыто в 1955 г. И. Деккером. Оно в большей мере выражено у растений С₃-пути фотосинтеза и сопровождается потерей углерода в цикле Кальвина из-за снижения способности РБФК фиксировать CO₂ и повышения ее активности окислять субстрат (РБФ) в присутствии O₂ (А. Лайск, 1977). В случае окисления субстрата РБФК выступает в роли РБФ-оксигеназы. На примере рода Panicum, в пределах которого встречаются виды с С₃-, С₄— и промежуточными путями фотосинтеза, выявлены различия в содержании органелл. У P. riculare (С₃-путь) клетки обкладки содержат в среднем 3 хлоропласта, 1,1 митохондрий и 0,3 пероксисом; у Р. milioides, Р. decipiens и Р. schenckii (промежуточные луга) органелл соответственно 10,6,17,7 и 3,2; у Р. priontis (С₄-путь) в клетках обкладки органелл не только больше, но они и крупнее. У указанных видов фотодыхание снижается в направлении увеличения числа органелл в клетках обкладки (R. Н. Brow et al., 1983).

Начальные стадии фотодыхания (образование гликолевой кислоты) характерны для всех организмов с циклом Кальвина. Виды же различаются механизмами метаболизма гликолевой кислоты. Так, фотосинтезирующие бактерии и цианеи окисляют гликолат и синтезируют глицин. Цианеи содержат фермент гликолатдегидрогеназу и способны поглощать гликолат (в темноте и на свету), но утилизируют его слабо. У эукариотических водорослей в процессе фотосинтеза гликолевая кислота выделяется в окружающую среду, хотя у них несколько лучше выражен механизм утилизации гликолата (при участии фермента гликолатдегидрогеназы). Подобное выделение представляет собой способ защиты цикла Кребса от ингибирования и на начальных этапах развития жизни было необходимо для усиления симбиотических отношений бактерий и цианей с гетеротрофами (А. М. Степанова, А. А. Шумилова, 1980).

У высших же растений с С₃-путем фиксации CO₂ фотодыхание осуществляется наиболее сложно — путем полного превращения гликолевой кислоты, с образованием ряда важных промежуточных продуктов (аминокислот, порфиринов и др.). Дело в том, что с переходом растений к наземным условиям существования возможности выделения гликолата в среду ограничиваются ввиду невымываемости его из организма. Поэтому защита цикла Кребса от ингибирующего действия глиоксилата могла быть достигнута только путем полного превращения его в гликолат.

Несмотря на эти новшества, у высших растений потери углерода при фотодыхании составляют 50% от его ассимилированного количества. У них фотосинтез падает главным образом из-за конкуренции O₂ и CO₂ за молекулу РБФК и ее субстрат. Интенсивность фотодыхания у растений С₃-типа возрастает при повышении концентрации O₂ и температуры среды. Это ведет к ингибированию фотосинтеза в результате снижения сродства РБФК к CO₂, особенно в аридных условиях. Поэтому отбор способствовал формированию растений С₄-типа, у которых хорошо развита система концентрации CO₂ (ФЕП, органические кислоты и др.) и выражена активность РБФК (при одновременном подавлении оксигеназной функции указанного фермента). Благодаря подобным и другим изменениям у растений С₄-типа потери углерода при фотосинтезе невелики и гликолат накапливается, медленно.

Хотелосьбы отметить, что ведущее место в фотодыхании принадлежит пероксисомам. Ни один другой органоид клетки не выполняет столь разнообразные функции, как микротельца (А. У. Игамбердиев, 1988, 1990), в том числе и при генерации новых путей биохимических превращений. Фотодыхание, хотя и рассматривается как ответвление фотосинтетического пути, играет важную роль в обеспечении нормального функционирования Цикла Кальвина, снабжая его CO₂ в обход реакций карбоксилирования. Оно также устраняет ингибирование ЦТК метаболизацией гликолата. По этим и другим причинам необходимо было выработать механизм утилизации гликолата, от которого ранее (водоросли) избавлялись выделением в среду. С появлением пероксисом у части водорослей (хлорелла) окисление гликолата в глиоксилат с образованием H₂O₂ имело значение для рассеивания свободной энергии, поглощенной клеткой. Выделение гликолата в среду его вымыванием имело значение для развития симбиотических отношений автотрофов и гетеротрофов, но оно не могло получить дальнейшего развития в наземных условиях, где исключалась возможность этого вымывания. Отсюда и необходимость отбора растений в направлении усиления утилизации гликолата в энергетических целях. Косвенно эти механизмы способствовали усилению транспорта воды, минеральных и органических веществ у сосудистых растений благодаря формированию вакуолярной системы. Интересно отметить, что в случае повторного перехода цветковых к обитанию в воде они начинают выделять гликолат в среду.

Отличия от темнового дыхания.

Фотодыхание имеет ряд отличий от «темнового» дыхания клеток, связан­ного с процессами окисления органических соединений в ходе цикла Кребса и работы ЭТЦ митохондрий.

Во-первых, фотодыхание активируется светом вы­сокой интенсивности, тогда как процессы «темнового» дыхания митохондрий на свету ингибируются.

Во-вторых, фотодыхание усиливается в присутствии высоких концентраций кислорода, что связано с активацией в этих условиях оксигеназной функции фермента РуБФ-карбоксилазы; максимум «темнового» дыхания наблюдается при концентрации кислорода около 2 %.

В-третьих, фо­тодыхание требует совместного функционирования хлоропластов, пероксисом и митохондрий; «темновое» дыхание связано исключительно с митохонд­риями.

В-четвертых, первичными продуктами фотодыхания являются фосфогликолат, гликолат и глиоксилат — двухуглеродные органические кислоты, дальнейшее преобразование которых приводит к образованию аминокислот глицина и серина.

Таким образом, суммарное поглощение кислорода на свету определяется интенсивностью двух процессов: темновым дыханием и светоиндуцируемым дыханием, связанным с фотохимическими реакциями хлоропластов. Фотодыхание активируется при высоких интенсивностях света, в то время как процессы темнового дыхания растений подавляются на свету. Фотодыхание увеличивается при повышении концентрации кислорода от 0 до 100 %, а темновое дыхание насыщается уже при 2 % кислорода. В отличие от темнового дыхания процесс поглощения кислорода при фотодыхании не ингибируется типичными дыхательными ядами, например азидом натрия (ингибитор цитохромоксидазы митохондрий).

Условия, стимулирующие фотодыхание

Очевидно, что снижение концентрации углекислого газа приводит к стимуляции фотодыхания. Как было сказано выше, фотодыхание интенсифицируется и при увеличении концентрации кислорода. Увеличение температуры приводит к снижению устойчивости ендиольного интермедиата реакции, катализируемой РуБисКО, что способствует реакции оксигенирования РуБФ. Помимо того, при повышении температуры растворимость углекислого газа уменьшается несколько сильнее растворимости кислорода (хотя и намного превышает её при любых температурах).

Субстратная специфичность рубиско

Рибулозобисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа (Рубиско) — ключевой фермент фотосинтеза, катализирует две конкурирующие реакции: карбоксилирование и оксигенирование пятиуглеродного сахара рибулозо-1,5-бисфосфата (РуБФ). Молекула кислорода (как и углекислого газа) присоединяется к связанной с ферментом ендиольной форме РуБФ, которая существует вследствие кето-енольной изомерии. Константа Михаэлиса (концентрация полунасыщения) для углекислого газа гораздо ниже (9 мкМ), чем для кислорода (535 мкМ), то есть сродство фермента к углекислому газу значительно выше. Тем не менее скорость оксигеназной реакции высока, поскольку концентрация кислорода в атмосфере составляет 21 %, а углекислого газа — 0,04 %. Благодаря этому у С₃-растений интенсивность фотодыхания может достигать 50 % от интенсивности фотосинтеза.

Цифровая модель фермента RuBisCO

Структура:

У рас­те­ний, ци­анобак­те­рий и хе­мо­ав­то­троф­ных про­теобак­те­рий фер­мент обыч­но со­сто­ит из двух типов бел­ко­вых субъ­еди­ниц:

• Большая цепь (L, массой 55 000 Да)
• Малая цепь (S, массой 13 000 Да)

Ак­тив­ный центр фер­мен­та на­хо­дит­ся на боль­ших цепях, объ­еди­нён­ных в ди­ме­ры. Все 8 ди­ме­ров боль­ших цепей и 8 малых цепи объ­еди­не­ны в еди­ный ком­плекс мас­сой 540 000 Да. У неко­то­рых про­теобак­те­рий малых цепей в со­ста­ве ру­бис­ко не об­на­ру­же­но. При этом боль­шие цепи ко­ди­ру­ют­ся в ДНК хло­ро­пла­ста, а малые — в ядре и транс­пор­ти­ру­ют­ся в хло­ро­пласт перед сбор­кой всего белка.

Для ра­бо­ты фер­мен­та необ­хо­ди­мы ионы Mg²⁺, ко­то­рые раз­ме­ща­ют­ся в ак­тив­ном цен­тре и спо­соб­ству­ют при­со­еди­не­нию CO₂ к остат­ку ли­зи­на, в ходе чего об­ра­зу­ет­ся карбамат. Об­ра­зо­ва­ние кар­ба­ма­та про­те­ка­ет легче в ще­лоч­ной среде: роль pH и ионов маг­ния в ре­гу­ля­ции ра­бо­ты фер­мен­та опи­са­но ниже.

Каталитическое действие:

Суб­стра­та­ми для ри­бу­лоз­оби­фос­фат­карбок­си­ла­зы яв­ля­ют­ся ри­бу­ло­зо-1,5-бис­фос­фат, уг­ле­кис­лый газ и вода, вме­сто уг­ле­кис­ло­го газа может быть ме­та­бо­ли­зи­ро­ван мо­ле­ку­ляр­ный кис­ло­род.

• В случае углекислого газа первым промежуточным продуктом выступает нестабильный шестиуглеродный фосфорилированный сахар, который сразу же распадается на две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (3-фосфоглицерата). Фосфоглицерат используется для синтеза глюкозы.
• В случае кислорода продуктами реакции являются 3-фосфоглицерат и фосфат гликолевой кислоты (ФГК). ФГК растения далее используют в процессе фотодыхания.

Ре­ак­ция, про­во­ди­мая фер­мен­том, про­те­ка­ет от­но­си­тель­но мед­лен­но (ис­поль­зу­ют­ся лишь несколь­ко мо­ле­кул уг­ле­кис­ло­го газа в се­кун­ду) и яв­ля­ет­ся ли­ми­ти­ру­ю­щей ста­ди­ей всего цикла Каль­ви­на. Кон­стан­та Ми­ха­эли­са для карбок­си­лаз­ной ре­ак­ции ри­бу­лоз­обис­фос­фат­карбок­си­ла­зы равна 10±4 мкМ CO₂, для ок­си­ге­назной 0,5 мМ O₂, для ри­бу­лоз­оби­фос­фа­та 1,5±0,5 мкМ.

Недостатки:

1. Рубиско нетороплив — каждую секунду этот фермент обрабатывает лишь от 3 до 10 молекул углекислого газа, в зависимости от условий. Понятно, что такое низкое качество работы фермента можно компенсировать лишь его количеством, и потому хлоропласты под завязку забиты этим белком: по массе на него приходится до 30% всех водорастворимых белков растений, что делает его самым распространенным белком на планете.

2. Крайне неразборчив и частенько путает углекислый газ с кислородом. И тогда вместо присоединения атома углерода к фосфорилированному сахару с наращиванием его углеродной цепи он просто окисляет этот сахар (рибулоза-(1,5)-бифосфат), попусту сжигая ценные молекулы углевода. В результате этого процесса, называемого фотодыханием, часть энергии, запасенной во время фотосинтеза, расходуется, причем потери КПД иногда достигают аж 25%, т.е. каждый четвертый углерод, связанный из СО₂ при фотосинтезе, затем опять окисляется из-за фотодыхания. Особенно драматично эффект проявляется при высокой температуре, так что некоторым растениям пришлось даже оптимизировать строение своих листьев и включить в фотосинтез дополнительные реакции, призванные поднять в хлоропластах концентрацию углекислого газа и снизить концентрацию кислорода, тем самым увеличив эффективность неповоротливого фермента.

3. Получается, что работа Рубиско становится лимитирующей стадией всего фотосинтеза.