Особо следует отметить, что в пластидах  часто протекают синтезы, дублирующиеся в цитозоле. Например, в них обнаружен шикиматный путь синтеза ароматических соединений, который обеспечивает синтез фенольных соединений вплоть до образования флавоноидов. Аналогичный путь известен и в цитозоле, однако там работают другие изозимы (например, халконсинтазы). В пластидах обнаружен также новый путь синтеза изопреноидов

Ферменты  практически всех описанных биосинтетических путей хлоропла-стов имеют ядерное кодирование и, следовательно, транспортируются в пластиды из цитозоля, т. е. в данном случае пластиды используются для сегрегации биосинтетических путей.

52. Фотосинтез как  сочетание световых и темновых реакций (исследования Ф. Блекмана, Д.А. Рихтера и В.И. Любименко).

Доказательства существовании световой и темновой фаз фотосинтеза. Уравнение  ван Ниля включает две группы реакций, причем одна связана с фотодиссоциацией воды, а другая. не зависящая от света,— с восстановлением СО2 до углевода;

Первую  реакцию можно назвать световой, вторую - темновой Экспериментальные доказательства реального существования этих двух фаз фотосинтеза были получены в опытах с мигающим светом проведенные в России (А. А, Рихтер, 1914) и в США (Р. Эмерсон и У. Арнольд, 1932, 1941), показали, что максимальная интенсивность фотосинтеза наблюдается не при непрерывном, а при импульсном освещении (пересчет сделан на время освещения) и особенно в тех случаях, когда продолжительность темновых промежутков составляла 0,04-0,06 с (при 25 С). Оптимальное время световой вспышки оказалось порядка 10 с. Большая эффективность импульсного света доказывает наличие темновых реакций в фотосинтезе, так как темновые (энзиматические) процессы осуществляются более медленно, чем фотохимические.

Другим доказательством  существования темновой фазы фотосинтеза  является величина его температурного коэффициента. показывающего, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10 "С. Для химических, в том числе энзиматических процессов, составляет от 2 до 4, для фотохимических, не зависящих от температуры, он близок к единице. Для интенсивности фотоинтеза при 15 и 25 "С величина равна 2,0-2,5. Следовательно, интенсивность фотосинтеза определяется скоростью его химических (темновых) реакций.

Окончательно  вопрос о двухэтапности процесса фотосинтеза был решен американским физиологом и биохимиком растений Д. И. Арноном. В 1954 г. в его лаборатории  было показано, что выделенные из листьев шпината хлоропласты под действием света способны восстанавливать NADPH и фосфорилировать ADP. Таким образом, в этих опытах было открыто явление фотофосфорилирования, показано, что NADPH и АТР - конечные продукты световой фазы фотосинтстаза и, наконец, установлено, что световая фаза протекает в тилакоидах хлоропласта, а темновая — в его строме.

53. Путь С-4 (цикл Хетча-Слэка-Карпилова). Его особенности.

Путь  усвоения СО2, установленный М. Кальвиным, является основным. Но существует большая группа растений, включающая более 500 видов покрытосеменных, у которых, первичными продуктами фиксации СС2 и восстановления являются четырех-углеродные соединения. Их называют С4 растениями. К С4-растениям относится ряд культурных растений преимущественно тропического и субтропического происхождения — кукуруза, просо, сорго, сахарный тростник и многие злостные сорняки. Как правило, это высокопродуктивные растения, устойчиво осуществляющие фотосинтез при значительных повышениях температуры и в засушливых условиях. Для листьев С4-растений характерно анатомическое строение кранц-типа т. е. наличие явно отличающихся друг от друга фотосинтезирующих клеток двух типов, которые располагаются концентрическими кругами: ради- * ально расположенные вокруг проводящих пучков клетки обкладки и основной мезофилл.

Клетки  обкладки проводящего пучка содержат крупные, лишенные гран (агранальные) хлоропласты. В клетках мезофилла находятся более мелкие гранальные хлоропласты. Эти два типа клеток физиологически не равноценны и специализируются на выполнении разных звеньев фотосинтеза. С4-цикл можно разделить на две стадии: карбоксилирование, происходящее в клетках мезофилла, и декарбоксилирование и синтез углеводов, идущие в клетках обкладки, проводящих пучков. Общим для всех С4-расте-ний является то, что карбоксилированию подвергается фосфо-енолпировиноградная кислота (ФЕП) при участии ФЕП-карбок-силазы и образуется щавелевоуксусная кислота (ЩУК), которая восстанавливается до яблочной кислоты или аминируется с образованием аспарагиновой кислоты. Щавелевоуксусная, яблочная и аспарагиновая кислоты являются четырехуглеродными соединениями. По способу декарбоксилиро-вания при участии НАДФН или НАД-малатдегидрогеназы (МДГ, называемой также малик-энзимом и яблочным ферментом) или ФЭП — карбоксики-назы (ФЕП-КК) у С₄-растений можно выделить три группы: НАДФ-МДГ, НАД-МДГ и ФЕП-КК-типы соответственно. У НАДФ-МДГ-растений главными метаболитами, вовлеченными в обмен между клетками, являются малат и пируват (ПВК), у НАД-МДГ-растений - аспартат и аланин и у ФЕП-КК-растений - аспартат и ФЕП. Важнейшие сельскохозяйственные культуры — кукуруза, сорго, сахарный тростник и такие распространенные сорняки, как сыть ежовник, щетинник, гумай, относятся к НАДФ-МДГ-типу.

Рассмотрим  С₄-цикл восстановления С0₂ на примере этих растений. С0₂, поступающий в лист через устьица, попадает в цитоплазму клеток мезофилла, где при участии ФЕП-карбоксилазы вступает в реакцию с ФЕП, образуя щавелевоук-сусную кислоту (оксалоацетат). Затем уже в хлоропластах оксало-ацетат восстанавливается до яблочной кислоты (малата) за счет НАДФН, образующегося в ходе световой фазы фотосинтеза; ЩУК в присутствии NН₄ может превращаться также в аспартат.

Затем малат переносится в хлоропласта  клеток обкладки сосудистого пучка, где он подвергается окислительному декарбо-ксилированию, продуктом которого является пировиноградная кислота (ПВК). Последняя снова диффундирует в мезофилл, где при участии АТФ, образованной в световой фазе, происходит регенерация ФЕП, после чего цикл карбоксилирования повторяется с участием новой молекулы С0₂. Образовавшиеся в результате окислительного декарбоксилирования малата С0₂ и НАДФН поступают в цикл Кальвина, что приводит к образованию ФГК и других продуктов, свойственных Сз-растениям. Следовательно, именно клетки обкладки выполняют роль основной ассимилирующей ткани, поставляющей сахара в проводящую систему. Клетки мезофилла выполняют вспомогательную функцию — подкачку С0₂ для цикла Кальвина. Таким образом, С₄-путь обеспечивает более полное усвоение С0₂, что особенно важно для тропических растений, где основным лимитирующим фактором фотосинтеза является концентрация С0₂. Эффективность усвоения С0₂ С₄-растениями увеличивается также за счет подачи НАДФН в хлоропласта клеток обкладки. Эти хлоропласта имеют агранаЛьное строение и специализируются на темно-вой фазе фотосинтеза, здесь практически не происходит нециклическое фотофосфорилирование-. На один агранальный хлоропласт в среднем приходится 8—10 гранальных хлоропластов, осуществляющих первичную фиксацию С0₂ и нециклическое фотофосфорилирование. Такая компартментация процессов и кооперация функционирования тканей обеспечивают повышение продуктивности растений и позволяют накапливать С0₂ в органических кислотах для осуществления фотосинтеза даже при закрытых устьицах в наиболее жаркое время дня.

54. Продуктивность фотосинтеза (работы А.А. Ничипоровича).

55. Возникновение фотосинтеза  в процессе эволюции.

56. Влияние условий  на процесс фотосинтеза.  Методы изучения  фотосинтеза.

Фотосинтетическая деятельность растений зависит от многих внешних факторов, и главные из них — условия освещения (интенсивность, спектральный состав света), доступность и концентрация углекислого газа, температура среды, водоснабжение и минеральное питание.

Концетрация СО2. Содержание С0₂ в окружающей среде является одним из важнейших факторов, определяющих скорость фотосинтеза. Как видно из рис, зависимость интенсивности фотосинтеза от концентрации С0₂ имеет логарифмический характер, т.е. увеличение концентрации С0₂ приводит к быстрому увеличению интенсивности фотосинтеза. При концентрации С0₂ 0,06 — 0,15 % у большинства растений достигается насыщение фотосинтеза. Увеличение интенсивности фотосинтеза при повышении концентрации С0₂ обусловлено реализацией в этих условиях потенциальной карбокси-лазной активности Рубиско и созданием в хло-ропластах большого пула акцептора С0₂ — ри-булозобисфосфата.

Концентрация  С0₂, при которой его поглощение в процессе фотосинтеза уравновешено выделением углекислоты в ходе дыхания (тем-нового и светового), называется углекислотным компенсационным пунктом (УКП). Положение УКП может существенно зависеть от вида растения. Особенно выражены различия между С₃- и С₄-растениями. Так, у С₃-рас-тений УКП находится при довольно высоких концентрациях С0₂ (около 0,005 %). Это связано с наличием у них активного фотодыхания. С₄-растения, обладающие способностью фиксировать С0₂ через фермент ФЕП-карбоксилазу, производят рефиксацию углекислого газа при слабом фотодыхании, поэтому у них УКП приближается к нулевой концентрации С0₂.

Температура. Для  большинства С₃-растений умеренной климатической зоны оптимальная для фотосинтеза температура находится в интервале 20 — 25 "С. У растений с С₄-путем фотосинтеза и САМ-фотосинтезом температурный оптимум приходится на 30 — 35 "С. При дальнейшем повышении температуры фиксация СО2 уменьшается вследствие снижения тургора в листьях и закрывания устьиц. В растениях наибольшую термозависимость проявляют реакции углеродных циклов. Весьма чувствительны к температуре также транспорт электронов и синтез АТФ. Первичные реакции фотосинтеза, связанные с поглощением света, миграцией энергии возбуждения в реакционные центры и разделением зарядов в реакционных центрах, от температуры практически не зависят.

Водный режим. Значение водного режима для фотосинтеза определяется в первую очередь действием воды на состояние устьиц листа: до тех пор, пока устьица остаются оптимально открытыми, интенсивность фотосинтеза не изменяется под влиянием колебаний водного баланса. Частичное или полное закрывание устьиц, вызванное дефицитом воды в растении, приводит к нарушению газообмена и снижению поступления углекислого газа к карбоксилирующим системам листа. Вместе с тем, при водном дефиците снижается активность ферментов ВПФ цикла (цикла Кальвина), обеспечивающих регенерацию рибулозобисфосфата, и в значительной степени ингибируется фотофосфорилирование. В результате в условиях водного дефицита наблюдается ингибирование фотосинтетической активности растений. При длительном дефиците воды возможно снижение общей фотосинтетической продуктивности растений, в том числе и за счет уменьшения величины листьев, а сильное обезвоживание может в итоге вызвать нарушение структуры хлоропластов и полную потерю их фотосинтетической активности.

57. Влияние на фотосинтез условий освещения (работы В.Н. Любименко).

При низких интенсивностях света существует прямая пропорциональная зависимость между интенсивностью падающего на растение света и фотосинтеза. По мере увеличения интенсивности света нарастание фотосинтеза становится все менее выраженным, и, наконец, при достижении определенного уровня освещенности наступает насыщение фотосинтетической активности листа (плато световой кривой фотосинтеза). Анализ световой кривой фотосинтеза послужил основанием для представления о существовании в этом процессе световых, фотохимических, реакций, прямо пропорционально зависящих от интенсивности света, и «темновых», энзиматических, реакций, скорость которых становится лимитирующей при высоких интенсивностях света. Зависимость световых реакций фотосинтеза от интенсивности света отражает прямолинейный участок световой кривой. На этом этапе интенсивность света является лимитирующим фактором фотосинтеза. Угол наклона прямолинейного участка световой кривой характеризует эффективность использования световой энергии в ходе фотохимических реакций. Условия внешней среды, активирующие углеродные циклы растения (такие, как температура и концентрация С0₂), позволяют ему более эффективно использовать высокие интенсивности света. На световой кривой фотосинтеза обычно отмечается световой компенсационный пункт' (СКП) — наименьшая интенсивность света, при которой активности фотосинтеза и дыхания растений уравновешены по газообмену. Положение СКП зависит от соотношения фотосинтеза и темнового дыхания и меняется в зависимости от температуры и концентрации углекислого газа в среде.

Интенсивность света влияет на характер фотохимических и метаболических процессов в  хлоропластах. При низких интенсивностях света в первую очередь активируется нециклический поток электронов. Увеличение интенсивности света стимулирует циклический поток электронов и повышает долю циклического транспорта электронов в общем потоке электронов по ЭТЦ хлоропластов. В условиях избыточной освещенности циклический транспорт электронов может играть защитную роль в хлоропластах, а также служить источником энергии для дополнительного синтеза АТФ и тем самым способствовать активации процессов ассимиляции углерода. С интенсивностью света связано образование различных продуктов фотосинтеза. Так, при слабой освещенности образуются главным образом аминокислоты, тогда как синтез углеводов в хлоропластах требует высокой интенсивности света.

Спектральный  состав света определяет общую интенсивность  фотосинтеза, активность его отдельных реакций и набор синтезируемых продуктов. Кривая зависимости интенсивности фотосинтеза от качества света при выровненном количестве квантов (спектр действия фотосинтеза) демонстрирует два отчетливых максимума — в синей и красной области спектра, совпадающих со спектрами поглощения фотосинтетических пигментов. Максимумы поглощения отражают наиболее эффективное использование этих лучей при фотосинтезе. При выравнивании синего и красного освещения по квантам на синем свету у растений увеличивалась общая активность ассимиляции С0₂, что было обусловлено активацией в этих условиях транспорта электронов в ЭТЦ хлоропластов и ферментов углеродного цикла. Качество света определяло и состав продуктов, образующихся при фотосинтезе. Так, на синем свету преимущественно синтезировались органические кислоты и аминокислоты, а позднее — белки, тогда как красный свет индуцировал сначала синтез растворимых углеводов, а в дальнейшем — крахмала.