Полифункциональная роль углекислоты в фотосинтезе

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНАЯ РОЛЬ УГЛЕКИСЛОТЫ В ФОТОСИНТЕЗЕ

Магомедов И.М.

Магомедов ИсханМагомедович - доктор биологических наук, профессор, ООО «Амарант Про», г. Санкт-Петербург

Аннотация: обсуждается многофункциональная роль углекислоты в фотосинтезе растений: углекислота как субстрат для образования углеводов, СО2, как обязательный компонент марганцевого кластера фотосистемы II и индуктора синтеза карбоксилаз в листьях растений и отсутствия этих функций в семенах.

Ключевые слова: углекислота, субстрат, ко-фактор, индуктор синтеза карбоксилаз.

Углекислота как субстрат фотосинтеза.

В предыдущей работе мы показали [1], что авторы обзора «Фотосинтез в семенах хлорэмбрифитов», не предоставили достоверных доказательств о функционирования фотосинтеза в семенах [2]. В данной статье мы продолжаем обсуждать этот вопрос, основное внимание, уделяя полифункциональной роли углекислоты в фотосинтезе листьев и отсутствии ее в семенах.

Фотосинтез означает процесс, посредством которого растения на солнечном свету синтезируют органические соединения из неорганических компонентов. Важнейший путь химических реакций при фотосинтезе — это превращение углекислоты и воды в углеводы и кислород. Суммарную реакцию можно описать уравнением С02+Н20=[СН20]+02 +114 ккал/моль

Углеводы, образующиеся в этой реакции, содержат больше энергии, чем исходные вещества, т.е. С02 и Н20. В фотосинтезе происходит газообмен, который наряду с дыханием обеспечивает стабильность поддержания С02 и О2 в атмосфере. При этом скорость фотосинтеза в зеленых тканях растений примерно в 30 раз превышает скорость дыхания, которое превалирует в ночное время. Таким образом, фотосинтез служит важным фактором, регулирующим содержание 02 и СО2 на Земле. В результате многочисленных экспериментальных работ установлено, что у растений в зависимости от первичного продукта фиксации углекислоты при карбоксилировании наличие трех типов механизма фотосинтеза (С3 и С4 САМ-растения. Эти циклы восстановления углерода признаны всеми специалистами мира [3, 4, 5, 6]. Фотосинтез С3-растений, С4-растений, САМ - растений различаются и по температурным и углекислотным кривым, по эффективности использования света, воды и азота, а также по продуктивности. Авторы обзора [2] не приводят никаких данных о том, что эти циклы работают в семенах, и не указывают сведений о физиологических параметрах фотосинтеза. Поэтому утверждать, что в семенах функционирует фотосинтез, нет оснований.

Углекислота как компонент комплекса реакций разложения воды в фотосинтезе.

Фундаментальные работы лаборатории В.В. Климова [7] и С. Короидова [8] посвящены экспериментальному обоснованию роли бикарбоната в реакциях, связанных с выделением кислорода в фотосистеме II. Более 60 лет назад было отмечено, что даже на выделенных из фотосинтезирующих организмов структурах, не способных к фотосинтетической ассимиляции СО2 , удаление СО2 из среды приводило к замедлению фотосинтетического транспорта электронов, который восстанавливается при добавлении в среду бикарбоната. Этот эффект получил название в 1999 г "бикарбонатный эффект". Было установлено, в частности, что при отсутствии бикарбоната практически полностью подавляется процесс фотосинтетического выделения кислорода не только у хлоропластов, но и у субхлоропластных фрагментов, содержащих лишь фотосистему II. В связи с этим был сделан вывод о том, что бикарбонат служит в качестве ко-фактора реакций, приводящих к ферментативному окислению воды. Как пишет В. В. Климов в конце 70-х годов была предложена гипотеза вовлечения СО2 и бикарбоната в процесс фотосинтетического окисления воды. Согласно этой гипотезе, окисление воды в Мп-содержащем ферментативном центре фотосистемы II происходит не в виде Н2О или ОН— а в виде продукта ее соединения с СО2. СО2 вступает в реакцию с Н2О, а молекула, полученная в результате диссоциации Н2СО3, окисляется Мп-содержащим энзиматическим центром водоокисляющего комплекса. Это приводит к выделению молекулы О2 (продукта окисления воды) и освобождению молекулы СО2, которая может вовлекать новые молекулы воды в процесс окисления. Таким образом, молекула СО2 служит посредником между Н2О и энзиматическим и водоокисляющим центром [8]. С. Короидов также отмечает [9]: вызванное светом окисление воды до молекулярного кислорода (02), катализируемое кластером Мп4Са05, связанным с комплексом фотосистемы II, является одним из наиболее важных и широко распространенных химических процессов, происходящих в биосфере. Понимание механизма окисления воды кластером Мп4Са05 является одной

7

из важнейших задач современной науки. Считается, что из естественной системы можно извлечь основные принципы проектирования катализаторов, которые могут быть применены к искусственным системам. Такие системы могут быть использованы в будущем для выработки топлива из солнечного света. Анализируя это наблюдение, показано, что не только является субстратом в фотосинтезе для производства сахаров, но и регулирует эффективность начальных этапов электронной транспортной цепи кислородного фотосинтеза, действуя в виде HCOз -, в качестве акцептора для протонов, образующихся при расщеплении воды. Этот вывод завершает 50-летний поиск функции С02 / НС03 в фотосинтетическом окислении воды.

В заключение нужно отметить, что необходимость присутствия бикарбоната для функционирования как донорной, так и акцепторной стороны фотосистемы II (наряду с вовлечением СО2 в цикл Кальвина) может быть использована для регуляции процесса фотосинтеза в целом [8]. Эти фундаментальные исследования показывает, что углекислота является не только источником фотосинтеза для образования углеводов, но и участником марганцевого кластера фотосистем II. Без реакций с участием бикарбоната не происходит выделение кислорода. Сведения об участии бикарбоната в фотосистеме II в семенах, авторы обзора [2] не приводят.

Углекислота как индуктор синтеза карбоксилаз, участвующих в фотосинтезе.

Рибулозобисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа (РБФК/О), - ключевой фермент цикла Кальвина -цикла ассимиляции углерода при фототрофии. Фермент, по крайней мере, на 80% ответственен за синтез органического вещества в естественных условиях. РБФК/О бифункциональна и может катализировать две, различные по механизму реакции, карбоксилирование и оксигенирование (окисление молекулярным кислородом) одного и того же субстрата: РБФ + СО2 = 2ФГК (карбоксилирование) РБФ + О2 = 2-фосфогликолат + ФГК (оксигенирование), где РБФ - Б-рибозо-1,5-бисфосфат; ФГК - 3-фосфоглицериновая кислота [9]. РБФКО обнаружен в фотосинтезирующих клетках всех наземных и водных эукариотных фототрофов и прокариот цианобактерий, у подавляющего большинства пурпурных и зеленых бактерий и бесхлорофильных хемолитоавтотрофных бактерий. У высших растений с классическим циклом Кальвина (С3 -фотосинтез) РБФК/О локализована исключительно в хлоропластах мезофилла, так же как и у растений суккулентов со специфическим "крассуляциевым" обменом органических кислот (САМ-фотосинтез). При С4 -фотосинтезе РБФК/О обнаружена исключительно в хлоропластах клеток обкладки сосудистых пучков, а в растениях промежуточного С3 \С4 типа - в хлоропластах тканей обоих типов (мезофилла и обкладки). Большинство исследователей полагают, что у высших растений фермент локализован в строме хлоропластов, что, в частности, подтверждают результаты иммуногистохимического анализа[9]. Высокоэффективный С4-путь фотосинтеза требует клеточно-специфичной экспрессии генов. Эти гены, кодируют набор фотосинтетических ферментов, фиксирующих углерод, и находящиеся только в клетках обкладки листа. Там же РБФК/О. кодируется ядерными RbcS генами и пластидными генами гЬоЬ. В мезофилле другие гены кодируют фосфоенолпируват карбоксилазу. Клеточно-специфичная экспрессия этих генов и связанная с ней локализация различных C4-ферментов в мезофилле или в обкладке листа, весьма существенна для работы более эффективного С4- фотосинтеза. Специализированные паттерны экспрессии генов C4 вместе с уникальной анатомией листа, создают «насос ^2», концентрирующий ТО2 в клетках обкладки листа, где происходит фототрофная фиксация углерода. Исследования показали, что фотосинтетический метаболизм углерода играет роль в определении С4-специфической экспрессии генов, кодирующих РБФК/О. Для понимания метаболических процессов, отвечающих за подавление генов, кодирующих РБФК/О в C4-клетках мезофилла, и при наличии продолжительной их экспрессии в клетках обкладки мы предложили гипотезу, которая предусматривает положение о том, что содержание внутренней концентрации углекислоты клетки, является регулятором экспрессии генома синтеза РБФК\О в фотосинтезирующих клетках. В этом случае, молекулы углекислоты выступает, не только как субстрат, но как сигнальные молекулы для синтеза РБФК/О в C4-растениях. Наличие РБФК\О в обоих хлоропластах промежуточных С3/С4 растений указывает, что в ходе эволюции, при наличии воды, устьичное сопротивление становится низким и СО2 газообмен происходит нормально и углекислоты хватает для синтеза РБФК/О в хлоропластах мезофилла. При засухе, устьица закрываются, и поступление СО2 ограничивается, при этом ФЕП - карбоксилаза синтезирует С4-кислоты, которые и поступают в клетки обкладки проводящего пучка. В результате растения переходит на С4- путь фотосинтеза. В наших опытах с протопластами из проростков кукурузы было показано, что протопласты мезофилла 2-3 дневного возраста содержали РФБК\О, а 8 дневные протопласты уже не фиксировали углекислоту [10]. Мы предположили, что в ходе онтогенеза сначале происходит экспрессия генома РБФК/О и ФЕПК в мезофилле и РБФК/О в хлоропластах обкладки проводящего пучка. Поскольку ФЕПК имеет высокое сродство к углекислоте, этот фермент «перехватывает» СО2 в результате чего синтезируются С4-кислоты. Они транспортируются в

8

обкладку и там продолжается экспрессия генома РБФК/, а в мезофилле синтез его прекращается. Авторы обзора о фотосинтезе семян [3] не приводят никаких данных о генетических аспектах синтеза карбоксилаз, участвующих в фиксации углекислоты.

Заключение. Установлено, что углекислота выполняет полифункциональную роль в фотосинтезе растений, что экспериментально доказано в ведущих лабораториях мира. Что же касается фотосинтеза семян [2], то нет ни одной публикации в мировой литературе, о том, что углекислота является источником фотосинтеза, компонентом марганцевого кластера разложения воды фотосистемы II и индуктором запуска геномной системы для синтеза карбоксилаз. Выводы.

1. Показано, что углекислота выполняет многофункциональную роль в фотосинтезе растений (источник, ко-фактор и индуктор синтеза карбоксилаз).

2. В так называемом «фотосинтезе семян» авторы не привели никаких достоверных доказательств функционирования фотосинтеза в семенах.

Список литературы

1. Магомедов И.М. О возможности существования фотосинтеза в семенах, 2019. В печати.

2. Смоликова Г.Н., Медведев С.С. Фотосинтез в семенах хлорэмбрифитов.// Физиология растений, 2016. Т. 63. № 1. С. 3-16.

3. Эдвардс Дж., Уокер Д. Фотосинтез С3- и С4- растений: механизмы регуляция. // М. Мир, 1986. 590 с.

4. Незговорова Л.А. Влияние водного режима растений на поступление и распределение углерода в процессе фотосинтеза. // Физиология растений, 1957. Т. 4. № 5. С. 440-449.

5. Карпилов Ю.С.: ученый и человек: избранные труды / Ин-т фундаментальных проблем биологии РАН;.Москва: Инфосфера, 2007. 338 с.

6. Магомедов И.М. Развития исследований фотосинтеза на кафедре физиологии и биохимии растений ЛГУ - СПбГУ в течение 150 лет. // Научное обозрение. Фундаментальные и прикладные исследования, 2019. № 2. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.scientificreview.ru/article/view?id=61/ (дата обращения: 17.04.2019).

7. Климов В.В. Углекислота как субстрат и ко-фактор фотосинтеза. // Соросовский образовательный журнал,1999. № 4. С. 23-27.

8. Koroidov S., Shavela D., Shutova T.G., Samuelson G., Messinger J. Mobile hydrogen carbonate acts as proton acceptor in photosynthetic water oxidation. // Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014. 111 (17): С. 6299-6304.

9. Романова А.К. Рибулезо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза-оксигеназа. // Успехи биологической химии. М. Наука, 1991. Т. 32. С. 87-113.

10. Магомедов И.М. Фотосинтез и органические кислоты. // Л. Изд-во ЛГУ,1988. 204 с.