Полифункциональная роль углекислоты в фотосинтезе. Магомедов И.М.

Магомедов Исхан Магомедович, доктор биологических наук,  профессор.   ООО «Амарант Про». 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.

POLYFUNCTIONAL ROLE OF CARBON DIOXIDE  IN  PHOTOSYNTHESIS.

Magomedov I.M.  LTD.  «Amaranth Pro». St. Petersburg.            

Abstract. The multifunctional role of carbon dioxide in plant photosynthesis is discussed: carbon dioxide as a substrate for the formation of carbohydrates, CO₂ as essential component of the manganese cluster of the photo system 2 and the inductor of carboxylase synthesis in plant leaves and the absence of these functions in seeds.

Keyword: carbon dioxide, substrate, co-factor, carboxylase synthesis inductor

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 СO₂+H₂O=[СH₂O]+O₂  +114 ккал/моль

Углеводы, образующиеся в этой реакции, содержат больше энергии, чем исходные вещества, т. е. СO₂ и H₂O.  В  фотосинтезе  происходит газообмен, который наряду с дыханием обеспечивает стабильность поддержания СO₂ 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 O₂ 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-расений, 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  Mn-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 Mn-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 (O₂), катализируемое кластером Mn₄CaO₅, связанным с комплексом фотосистемы II, является одним из наиболее важных и широко распространенных химических процессов, происходящих в биосфере. Понимание механизма окисления воды кластером Mn₄CaO₅ является одной 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 CO₂ не только является субстратом в фотосинтезе для производства сахаров, но и регулирует эффективность начальных этапов электронной транспортной цепи кислородного фотосинтеза, действуя в виде HCO₃ -, в качестве акцептора для протонов, образующихся при расщеплении воды. Этот вывод завершает 50-летний поиск функции CO₂ / HCO₃ 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, участввующих 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 - D-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  C₄-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 rbcL.  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 CO₂», концентрирующий CO₂ 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 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,г., 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.
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; URL:  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.с23-27.
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.т32. с 87-113.
10. Магомедов Фотосинтез и органические кислоты.//Л. Из-во ЛГУ.1988. 204с.