С₄-фотоси́нтез (С₄-цикл, С₄-путь, цикл Хетча – Слэка – Карпилова), комплекс биохимических реакций восстановления атмосферного углекислого газа (CO₂), первыми продуктами которого являются органические кислоты (аспарагиновая, яблочная и щавелевоуксусная), содержащие 4 атома углерода. Входит в состав темновой фазы фотосинтеза. Характерен в основном для тропических и субтропических растений (кукуруза, сорго, амарант, просо, сахарный тростник и др.). Эволюционно С₄-фотосинтез возник позже, чем С₃-фотосинтез, поэтому у древесных растений он не обнаружен. Растения, имеющие С₄-фотосинтез, называются С₄-растениями.

История вопроса

Пионерами открытия С₄-фотосинтеза считается группа гавайских учёных под руководством К. Э. Харт, которые в 1954 г. предположили, что первыми продуктами темновой фазы фотосинтеза у сахарного тростника являются органические кислоты, молекулы которых содержат 4 атома углерода.

В нашей стране первым исследователем, установившим первичный продукт С₄-фотосинтеза, была Л. А. Незговорова – научный сотрудник Института физиологии растений имени К. А. Тимирязева АН СССР. В середине 1950-х гг. она проводила эксперименты с ¹⁴СО₂ и доказала, что у растений кукурузы первичным продуктом восстановления СО₂ является аспарагиновая кислота (аспартат) – дикарбоновая четырёхуглеродная кислота.

В 1960 г. советский учёный Ю. С. Карпилов также показал наличие у растений кукурузы особого пути восстановления СО₂, отличного от С₃-пути, и назвал его «кооперативный фотосинтез». Позже им впервые была раскрыта особенность структуры фотосинтетического аппарата некоторых тропических растений и сформулирована концепция С₄-фотосинтеза (1969).

Австралийские учёные М. Хетч и К. Слэк (1966) на примере сахарного тростника впервые определили последовательность биохимических реакций восстановления СО₂ и заявили о новом типе фотосинтеза, первичным продуктом которого является оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота) – кетокислота, которая содержит в своей молекуле 4 атома углерода. В современной литературе по физиологии растений этот процесс называют С₄-фотосинтез, или цикл Хетча – Слэка – Карпилова.

Морфологические особенности С₄-растений

Изучение анатомического строения листьев С₄-растений показало, что у большинства видов проводящие (сосудистые) пучки окружены двойным слоем клеток. Клетки внутреннего кольца (обкладки проводящего пучка) – крупные, плотно прилегают друг к другу и сосудам листа, в отличие от мелких, рыхло расположенных клеток мезофилла, формирующих наружное кольцо. Граница между клетками обкладки и клетками мезофилла пересечена многочисленными плазмодесмами, а сами клетки разделены между собой клеточными стенками, содержащими слой суберина (непроницаемый для СО₂ и других газов). Клетки основной ткани мезофилла содержат хлоропласты с хорошо развитыми гранами, тогда как паренхимные клетки, окружающие проводящий пучок, имеют крупные хлоропласты, включающие только ламеллы стромы без гран.

Кольцеобразная организация клеток вокруг проводящего пучка листьев С₄-растений получила название кранц-анатомия (от нем. kranz – корона, венок), или корончатая анатомия.

Биохимия процесса

Этап 1. Карбоксилирование фосфоенолпирувата в клетках мезофилла.

СО₂ поступает через устьица в цитозоль клеток мезофилла и в реакции гидратации (катализатором выступает карбоангидраза), из него образуется ион бикарбоната (гидрокарбонат) – НСО₃^–.

Реакции темновой фазы фотосинтеза, протекающие у С₄-растений в клетках мезофилла.Реакции темновой фазы фотосинтеза, протекающие у С₄-растений в клетках мезофилла. Акцептором НСО₃^– служит фосфоенолпируват (ФЕП), который в результате карбоксилирования (катализирует реакцию ФЕП-карбоксилаза) образует щавелевоуксусную кислоту (оксалоацетат) – кетокислоту, содержащую 4 атома углерода.

С помощью специфического переносчика оксалоацетат транспортируется в хлоропласты, где при участии никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФН) (продукт световой фазы) восстанавливается до яблочной кислоты (малат). У некоторых растений оксалоацетат при наличии NH₄⁺ превращается в аспартат. В связи с этим растения делят на два типа: малатный и аспартатный. Малат или аспартат (в зависимости от вида растения) транспортируется через мембраны хлоропластов в цитозоль и далее диффундирует через плазмодесмы в клетки обкладки проводящего пучка.

Этап 2. Декарбоксилирование малата или аспартата в клетках обкладки.

Типы С₄-фотосинтеза

По названию ключевого фермента, который осуществляет реакцию окислительного декарбоксилирования, С₄-фотосинтез разделяют на 3 типа: НАДФ-малатдегидрогеназный (НАДФ-МДГ), НАД-малатдегидрогеназный (НАД-МДГ) и ФЕП-карбоксикиназный (ФЕП-КК).

НАДФ-малатдегидрогеназный тип С₄-фотосинтеза у растений малатного типа

У растений малатного типа (например, сахарный тростник, сорго) НАДФ-МДГ локализована в хлоропластах клеток обкладки проводящего пучка. Образовавшийся в результате декарбоксилирования (катализирует реакцию НАДФ-МДГ) малата СО₂ включается в С₃-цикл – Реакции темновой фазы фотосинтеза в клетках обкладки у С₄-растений малатного типа (группа НАДФ+-зависимой малатдегидрогеназы).Реакции темновой фазы фотосинтеза в клетках обкладки у С₄-растений малатного типа (группа НАДФ+-зависимой малатдегидрогеназы).реакцию карбоксилирования рибулозо-1,5-бифосфата (РуБФ) (вторичное карбоксилирование), а пируват (пировиноградная кислота, ПВК) транспортируется в хлоропласты клеток мезофилла, фосфорилируется за счёт АТФ (продукт световой реакции) и превращается в ФЕП.

Из хлоропластов ФЕП поступает в цитозоль, где выступает в качестве первичного акцептора СО₂ – на этом цикл замыкается.

НАДФ-малатдегидрогеназный тип С₄-фотосинтеза у растений аспартатного типа

У растений аспартатного типа (например, амарант, иван-чай, марь, портулак), имеющих фермент НАД-МДГ, аспартат специфическим переносчиком транспортируется в матрикс митохондрии клеток обкладки проводящего пучка, где происходит обратная реакция – онРеакции темновой фазы фотосинтеза в клетках обкладки у С₄-растений аспартатного типа (группа НАД+-зависимой малатдегидрогеназы).Реакции темновой фазы фотосинтеза в клетках обкладки у С₄-растений аспартатного типа (группа НАД+-зависимой малатдегидрогеназы). превращается в оксалоацетат, а потом восстанавливается до малата.

НАД-МДГ катализирует реакцию декарбоксилирования малата с образованием ПВК и выделением СО₂, который диффундирует в хлоропласты и включается в С₃-цикл – реакцию карбоксилирования РуБФ. Образовавшийся в реакции декарбоксилирования малата ПВК с помощью переносчика выходит из стромы митохондрии в цитозоль, где в результате реакции аминирования превращается в аланин. Далее аланин из клеток обкладки поступает в клетки мезофилла, где дезаминируется и превращается в ПВК, которая транспортируется в хлоропласты и там превращается в ФЕП.

ФЕП-карбоксикиназный тип С₄-фотосинтеза у растений аспартатного типа

У растений аспартатного типа, имеющих фермент ФЕП-КК (например, баклажан, хлорис), аспартат в цитозоле клеток обкладки превращается снова в оксалоацетат.

ФЕП-КК катализирует реакцию декарбоксилирования оксалоацетата. Для этой реакции необходим АТФ. Образовавшийся в ходе реакции СО₂ диффундирует в хлоропласты и

Реакции темновой фазы фотосинтеза в клетках обкладки у С₄-растений аспартатного типа (группа ФЕП-карбоксикиназы).Реакции темновой фазы фотосинтеза в клетках обкладки у С₄-растений аспартатного типа (группа ФЕП-карбоксикиназы).

включается в С₃-цикл – реакцию карбоксилирования РуБФ, а ФЕП превращается в ПВК, который трансаминируется с образованием аланина. Аланин поступает в клетки мезофилла, где по механизму, характерному для растений, использующих фермент НАД-МДГ, происходит регенерация акцептора.

ФЕП-КК тип С₄-фотосинтеза в чистом виде в растениях не встречается. ФЕП-КК выполняет роль вспомогательной декарбоксилазы у растений с другими типами С₄-фотосинтеза.

Таким образом, С₄-цикл начинается и заканчивается в клетках мезофилла проводящего пучка, где происходит карбоксилирование ФЕП и его регенерация из аланина и ПВК. Клетки обкладки проводящего пучка служат местом, где происходит декарбоксилирование малата и оксалоацетата, а также протекает С₃-цикл.

Расчёт затрат АТФ и НАДФН показывает, что в процессе С₄-фотосинтеза на фиксацию одной молекулы СО₂ используется 5 АТФ и 2 НАДФН, что на 2 молекулы АТФ больше, чем при С₃-цикле.

Биологическое значение С₄-фотосинтеза

На Земле количество видов растений, имеющих С₄-фотосинтез, не превышает 5 %, при этом их вклад в продовольственное обеспечение населения свыше 30 %. Преимущественно С₄-растения произрастают в районах с тёплым, часто засушливым климатом, т. к. обладают низкой устойчивостью к пониженным температурам, и это ограничивает их ареал распространения.

С₄-растения разделили первичную фиксацию СО₂ (реакцию карбоксилирования ФЕП) и процесс синтеза углеводов (С₃-цикл) между хлоропластами двух видов. Реакции световой фазы у них идут в хлоропластах мезофилла, тогда как реакции темновой фазы (С₃-цикл) – в хлоропластах клеток обкладки.

В процессе эволюции кранц-анатомия возникала независимо в разных таксонах цветковых растений, поэтому она имеет различное строение не только в зависимости от типа С₄-фотосинтеза, но и вида С₄-растения. Клетки обкладки проводящего пучка С₄-растений практически без межклетников, следовательно, кислород к ним почти не поступает, в связи с чем фотодыхание у них подавлено.

С₄-растения лучше усваивают СО₂, чем С₃-растения, благодаря ФЕП-карбоксилазе, которая при низкой концентрации СО₂ обладает бóльшим сродством к СО₂, чем рибулозобисфосфаткарбоксилазаоксигеназа (РуБисКО). У ФЕП-карбоксилазы отсутствует оксигеназная активность, т. е. фермент не взаимодействует с кислородом. Органические кислоты (преимущественно малат) ингибируют активность ФЕП-карбоксилазы, однако на свету её активность повышается. Показана активация светом также некоторых других ферментов этого процесса.  

Фиксация СО₂ (в форме НСО₃^–) и его концентрирование в виде малата (или аспартата) в клетках обкладки является основной функцией С₄-цикла. Малат (или аспартат) на втором этапе С₄-цикла является источником СО₂ для С₃-цикла. В связи с этим в клетках обкладки концентрация СО₂ во много раз выше, чем в атмосфере. Благодаря механизму концентрирования СО₂ С₄-растениям нужно меньше воды и белка РуБисКО, а значит требуется меньше азота для ростовых процессов. В стрессовых условиях (засуха, высокая температура, недостаток азота) РуБисКО обеспечивает реакцию карбоксилирования (которая у С₄-растений происходит дважды за цикл) как при закрытых устьицах, так и при интенсивном освещении, когда устьица открыты, но наблюдается недостаток СО₂.

У С₄-растений, по сравнению С₃-растениями, температурный оптимум фотосинтеза смещён в область более высоких температур, а световое насыщение происходит при более высокой интенсивности света. Благодаря этим особенностям, С₄-растения имеют высокую скорость роста и фотосинтетическую продуктивность, особенно в условиях жаркого климата, когда растворимость СО₂ снижена, и умеренной засухи.

Совместное функционирование С₃- и С₄-циклов получило название «кооперативного фотосинтеза». Имеются сведения, что С₄-фотосинтез может проходить и у некоторых типичных С₃-растений при неблагоприятных условиях их произрастания.