Фотодыхание
Фотодыха́ние (С2-фотосинтез, гликолатный путь, гликолатный цикл), активируемый светом процесс поглощения растениями молекулярного кислорода (О2) и выделения углекислого газа (СО2). Фотодыхание обусловлено оксигеназной активностью ключевого фермента С3-цикла рибулозобисфосфаткарбоксилазаоксигеназы (РуБисКО), который присоединяет О2 к рибулозо-1,5-бифосфату (РуБФ). В процессе фотодыхания энергия не образуется.
Появление в процессе эволюции у РуБисКО оксигеназной активности обусловлено адаптацией растений к аридным местам обитания с высокой инсоляцией. Растения вынуждены были избавляться от избытка аденозинтрифосфата (АТФ) и никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФН), образующихся в ходе световых реакций. Они не могли использовать эту избыточную энергию на фиксацию СО2 (синтез сахаров), поскольку для уменьшения транспирации им приходилось почти полностью закрывать устьица в жаркое время суток.
Считается, что в ходе эволюции фотодыхание возникло как защита фотосинтетического аппарата (главным образом, фотосистем) от роста концентрации атмосферного кислорода, выделяемого растениями в процессе фотосинтеза. Благодаря фотодыханию растения адаптировались к современной атмосфере, обогащённой О2. Наличие коэволюции процессов фотодыхания и фотосинтеза (начиная с цианобактерий, через водоросли до наземных растений) привело к высокой компартментализации клеток современных растений, т. е. появлению специализированных органелл.
Фотодыхание также называют С2-фотосинтезом, или гликолатным циклом, т. к. первичными продуктами этого процесса являются фосфогликолат, гликолат и глиоксилат – двухуглеродные органические кислоты. Кроме того, в процессе фотодыхания образуется СО2, который может повторно включаться в С3-цикл.
История вопроса
В 1920 г. немецкий биохимик О. Г. Варбург обратил внимание на тот факт, что, независимо от интенсивности освещения, при уменьшении/увеличении концентрации О2 во внешней среде интенсивность фотосинтеза (поглощение СО2), соответственно, повышалась/снижалась. Варбург предположил, что одновременно с фотосинтезом происходят реакции, сопровождающиеся выделением СО2, которые снижают интенсивность фотосинтеза.
В 1945 г. американский учёный Е. И. Рабинович писал (Rabinowitch. 1945) о явлении фотостимуляции дыхания у растений как о факторе, препятствующем точному измерению интенсивности фотосинтеза. Большой вклад в изучение особого светового дыхания растений внёс другой американский учёный Дж. Деккер. В середине 20 в. он установил, что после выключения света интенсивность выделения СО2 повышалась сильнее (т. н. видимое фотодыхание), чем при длительной экспозиции листа в темноте.
В 1970 г. сотрудник Института физики и астрономии АН Эстонской ССР А. Лайск, изучая кинетику реакции карбоксилирования, высказал гипотезу о том, что суть процесса фотодыхания – это конкурирование молекул О2 и СО2 за общий акцептор – рибулозо-1,5-дифосфат (РуБФ).
Биохимия процесса
Фотодыхание – это строго регулируемый биохимический процесс, который осуществляется при тесном контакте и взаимодействии в растительной клетке 3 органелл – хлоропластов, пероксисом и митохондрий – и участии цитозольных ферментов. Процесс начинается в хлоропластах на начальной стадии С3-цикла – с реакции оксигенирования РуБФ (присоединение О2 к РуБФ), которую катализирует фермент РуБисКО. Продуктами этой реакции окисления РуБисКО являются 1 молекула 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК) и 1 молекула фосфата гликолевой кислоты (фосфогликолат). 3-ФГК сразу поступает в С3-цикл, а фосфогликолат (токсичное для клетки соединение) переносится через мембрану хлоропласта в цитозоль, дефосфорилируется, и образовавшаяся гликолевая кислота (гликолат) с помощью транслокатора поступает в пероксисомы.
В пероксисомах происходит окисление (с использованием О2) гликолата с образованием токсичных для растительной клетки соединений – глиоксалевой кислоты (глиоксилат) и пероксида водорода (Н2О2) как побочного продукта. Локализованный в пероксисомах фермент каталаза разлагает Н2О2 на Н2О и О2 (выделяется в атмосферу). Глиоксилат вступает в реакцию аминирования [донором аминогруппы является глутаминовая кислота (глутамат)] и превращается в аминокислоту глицин, которая транспортируется в митохондрию.
В митохондриях из 2 молекул глицина в ходе нескольких реакций образуется аминокислота серин, высвобождаются аммиак (NH3) и СО2 и восстанавливается НАД+ до НАДН. В дальнейшем из NH3 при участии АТФ синтезируется глутаминовая кислота (глутамат), а НАДН включается в электрон-транспортную цепь митохондрий (при окислении НАДН расходуется О2) или используется в других компартментах клетки. СО2 может выделяться в атмосферу или повторно включаться в С3-цикл. Образовавшаяся в митохондриях аминокислота серин может использоваться для синтеза белка или транспортироваться обратно в пероксисому.
В случае поступления в пероксисомы из серина в ходе нескольких реакций (при участии НАДН) синтезируется глицериновая кислота (глицерат), которая переносится в хлоропласт. В хлоропластах глицерат фосфорилируется за счёт АТФ с образованием 3-ФГК – конечного продукта цикла, который включается в С3-цикл. Таким образом, цикл начинается и заканчивается в хлоропластах.
Условия, стимулирующие фотодыхание
Высокая интенсивность фотодыхания характерна только для С3-растений. Установлено, что с повышением температуры растворимость СО2 и сродство РуБисКО к СО2 снижаются. В жаркий день, когда устьица закрыты, концентрация СО2 в тканях листьев С3-растений часто снижается в десятки раз, вследствие его быстрого использования в С3-цикле, и О2 становится более конкурентным за РуБФ, чем СО2. В этих условиях С3-цикл подавляется и накапливающиеся в ходе световой фазы фотосинтеза АТФ и НАДФН расходуются «вхолостую» на фотодыхание. По этим причинам С3-растения могут терять до 55 % органических соединений, образованных в процессе фотосинтеза, из-за чего их урожайность снижается.
У САМ- и С₄-растений, имеющих тропическое происхождение, также обнаружено фотодыхание, но его интенсивность намного ниже, чем у С3-растений. У С4-растений активация фотодыхания показана лишь в условиях водного дефицита, когда устьица закрыты и уровень СО2 в листе снижен.
Биологическое значение фотодыхания
Процесс фотодыхания рассматривают как один из механизмов концентрирования СО2. Установлена светозависимая активация большинства ферментов, участвующих в процессе фотодыхания, и подчинение их активности циркадным ритмам.
Интенсивность фотодыхания возрастает в условиях жаркого климата, когда наблюдается повышенная инсоляция и растения испытывают водный дефицит, а также при действии стрессоров, например солевого, низкотемпературного или тяжёлых металлов. В таких неблагоприятных условиях среды у растений, кроме основного фотодыхательного пути в каждой органелле, были обнаружены альтернативные обходные варианты гликолатного цикла, благодаря которым обеспечивается высокий уровень метаболической гибкости данного процесса.
Фотодыхание, как и другие пути восстановления СО2, является источником важных промежуточных веществ (глицерат, глутамат, аминокислоты глицин и серин) для синтеза различных соединений. Фотодыхание защищает растения от избытка НАДФН и АТФ (продуктов световой фазы фотосинтеза), предотвращая фотоингибирование. Благодаря фотодыханию из гликолата образуется 3-ФГК (с потерей СО2), а С3-цикл частично обеспечивается СО2.
В отличие от темнового (митохондриального) дыхания фотодыхание не ингибируется дыхательными ядами (например, азидом натрия), его интенсивность возрастает с увеличением интенсивности света, а также при повышении концентрации О2 вплоть до 100 %, тогда как насыщение темнового дыхания наступает при концентрации О2 на уровне 2 %.
Точное измерение интенсивности фотодыхания не представляется возможным по причине одновременного протекания фотосинтеза и темнового (митохондриального) дыхания.
Для повышения урожайности важнейших сельскохозяйственных культур, имеющих С3-фотосинтез (например, рис, соя, томаты, картофель), предпринимались попытки создать их трансгенные (генетически модифицированные) формы, у которых интенсивность фотодыхания снижена. Немногочисленные положительные результаты, полученные в модельных (строго контролируемых) условиях, к сожалению, не всегда можно было реализовать в полевых условиях, где растения подвергались действию различных стрессорных факторов.
Применение специфических веществ-ингибиторов фотодыхания (например, ферментов, катализирующих окисление гликолата) также не дало положительных результатов. Снижение интенсивности фотодыхания приводило к снижению интенсивности фотосинтеза. Однако искусственное повышение интенсивности процесса фотодыхания у С3-растений ускоряло переработку ими токсинов (глиоксилата и NH3) и приводило к увеличению урожайности. В связи с этим считается, что наиболее перспективными направлениями повышения урожайности сельскохозяйственных культур являются: создание высокопродуктивных сортов, имеющих высокую интенсивность фотосинтеза и фотодыхания; генетические модификации большой белковой субъединицы РуБисКО.