Мембрана Матрикс хлоропласту
тилакоїда
F0 GF1
2 Н+ АТФ
F0
------------------------------------------------------------------------------------------------
Мембрана Матрикс хлоропласту
тилакоїду
F0 GF1
2 Н+ АТФ
F0
2 Н+
Темнова фаза фотосинтезу
Для темнових реакцій, які відбуваються в стромі хлоропласту, світло не потрібне. Відновлення СО2 до СН2О відбувається за рахунок енергії АТФ і відновлюючої сили НАДФН2, речовин, створених під час світлових реакцій.
Послідовність реакцій темнової фази фотосинтезу було визначено у Сполучених Штатах Америки вченими Кальвіном, Бенсоном і Бессемом у період з 1946 по 1953 рр. У 1961р. Кальвіну було присуджено за цю роботу Нобелевську премію.
Кальвін працював з хлорелою і радіоактивним ізотопом 14С у складі СО2, продуваючи 14СО2 через судину з культурою хлорели і встановлюючи через короткі проміжки часу (декілька секунд), до складу яких сполук включається радіоактивний ізотоп. Так було встановлено послідовність реакцій, що відбуваються у темновій фазі фотосинтезу (цикл Кальвіна).
Біологічний зміст циклу полягає у акцептуванні вуглекислого газу з повітря і створенні за його участі високомолекулярних органічних речовин. Умовно цикл Кальвіна розділяють на три етапи, локалізація реакцій циклу – строма хлоропласту.
Цикл Кальвіна
1. Карбоксилювання (фіксація діоксиду вуглецю).
Акцептором СО2 є п’ятивуглецевий цукор рибулоза 1,5 бифосфат (С5). Під час реакції карбоксилювання рибоза приєднує СО2. Цю реакцію каналізує фермент рибулозабифосфаткарбоксилаза (РБФК).
Особливістю цього етапу є те, що перед карбоксилюванням рибулозамонофосфат активізується за рахунок приєднання ще однієї фосфатної групи з утворенням уже дифосфату. Джерелом фосфору для цього є АТФ, створена під час нециклічного фотофосфорилювання. Це перше місце використання АТФ, синтезованої системою GF1-F0, АТФ – синтетазою у світловій фазі фотосинтезу.
АТФ АДФ РБФК
РМФ РБФ + СО2 + Н2О 2 3ФГК
(С5) (С5) (С3)
Продукт реакції – нестійка шестивуглецева сполука, яка відразу розпадається на дві молекули фосфогліцеринової кислоти – ФГК (С3). Фосфор залишається приєднаним до третього атома вуглецю у кислоті, яка тепер записується 3ФГК.
Фермент РБФК є найпоширенішим білком на нашій планеті, складає до 40% білків листка рослини.
2. Відновлення. Згадаємо, що основним напрямком хімічних реакцій процесу фотосинтезу є відновлення вуглецю у вуглекислому газі із ступенем окислення +4 до вуглецю у складі вуглеводів із ступенем окислення 0. У фосфогліцериновій кислоті (3ФГК) ступінь окислення вуглецю вже дорівнює +2/3. Під час другого етапу циклу Кальвіна відбувається відновлення кислотної групи –СООН (ФГК) до альдегідної –СОН – фосфогліцеріновий альдегід (ФГА) за допомогою НАДФН2. Для цього використовується весь НАДФН2, створений у світловій фазі фотосинтеза.
Фосфогліцеринова кислота є малоактивною в хімічному плані, тому спочатку відбувається активізація двох створених молекул кислоти шляхом фосфорилювання за рахунок АТФ, створеної під час світлової фази фотосинтезу. При цьому монофосфорна кислота перетворюється у 1,3 дифосфогліцеринову кислоту (друге місце використання АТФ). І лише після цього відбувається її відновлення до альдегіду:
АТФ АДФ НАДФН2 НАДФ+
3ФГК 1,3 ФГК 3 ФГА + Н2О.
(С3) (С3) (С3)
При відновленні видаляється кисень із ФГК із залученням відновлюючої сили НАДФН2 і його водню з утворенням молекули води. При цьому карбоксильна група перетворюється в альдегідну. Остаточний продукт даної реакції – ФГА фосфорильований цукор (тріоза) - тріозофосфат (ТФ). Хоча він і не має смаку цукру, відноситься до класу вуглеводів. Окрім цього, вуглець у складі ФГА має ступінь окислення – 0. Таким чином ФГА можна вважати остаточним продуктом фотосинтезу.
3. Регенерація акцептора. Процес фотосинтезу на світлі повинен відбуватися постійно, тобто має носити циклічний характер. Це значить, що остаточні продукти фотосинтезу, або їх частина, повинні модифікуватися у речовини, з яких процес починався, тобто повинна відбутися регенерація вихідних сполук циклу Кальвіна. Так як вихідна сполука – рибоза - приєднує, акцептує вуглекислий газ, то останній етап темнової фази фотосинтезу називається етапом регенерації акцептора.
Змістом останнього етапу є перетворення п’яти - трьох вуглецевих молекул ФГА в три пятивуглецеві молекули рибози:
5 ФГА 3 РМФ.
(С3) (С5)
Цей етап складається з декількох реакцій, під час яких створюються проміжні сполуки з 4, 5, 6, 7 атомами вуглецю у вуглецевому скелеті. Із кожних шести молекул ФГА, утворених на перших двох етапах циклу Кальвіна, п’ять молекул ідуть на регенерацію акцептора, а одна – на синтез глюкози. Таким чином, на створення однієї нової молекули глюкози, або двох молекул тріоз використовується шість молекул СО2. Цикл повинен повторитися шість разів. Необхідно зазначити, що АДФ, Фн та НАДФ+, вивільнені при фіксації вуглецю, повертаються на поверхню фото синтезуючих мембран і знову перетворюються в АТФ та НАДФН2.
Енергетичний баланс циклу Кальвіна. Цикл Кальвіна починається з трьох молекул рибулози монофосфату (РМФ), які фосфорилюються, отже, використовується три молекули АТФ. Далі під час етапу відновлення використовується вже шість АТФ для відновлення шести молекул ФГК до ФГА та шість молекул НАДФН2. Загалом на синтез тріози (ФГА) йде 9 АТФ та 6 НАДФН2, а на синтез глюкози удвічі більше – 18 АТФ та 12 НАДФН2.
Рослини, в яких у темновій фазі фотосинтезу здійснюється цикл Кальвіна, називаєються рослинами з С-3 типом фотосинтезу, через те що головними сполуками в цьому циклі є сполуки із трьохвуглецевим скелетом – ФГК і ФГА.
Темнова фаза фотосинтезу називається так через те, що сонячне світло безпосередньо не бере участі у цих реакціях, але потрібно зауважити, що використовуються продукти, синтезовані у світловій фазі - АТФ та НАДФН2, тобто сонячна енергія опосередковано бере участь в темновій фазі фотосинтезу.
Фотодихання
Фотосинтез є джерелом кисню в атмосфері. Отже, коли виникав процес фотосинтезу, атмосфера була набагато багатшою на вуглекислий газ, ніж тепер, а кисню в ній було дуже мало, близько 0,002% (зараз – 21%). Уже в 1920 р. було відомо, що підвищені концентрації кисню гальмують процес фотосинтезу (ефект Варбурга), але пояснення цьому ефекту було знайдено тільки у 1971 р. З’ясувалося, що активний центр ферменту РБФК, каталізатора приєднання СО2 до рибози, має подвійну природу: він може утворювати фермент – субстратний комплекс як із вуглекислим газом, так і з киснем, залежно від концентрації того чи іншого газу в атмосфері. Очевидно, така подвійна спорідненість ферменту РБФК до цих двох субстратів пояснюється газовим складом атмосфери під час формування ферменту (переважання СО2 над О2). Пізніше, із зміною співвідношення газів у атмосфері, проявилась і спорідненість активного центру до О2.
Якщо в атмосфері достатня кількість вуглекислого газу, то РБФК каталізує реакцію карбоксилювання:
РБФК
СО2 + РБФ 2 ФГК.
(С5) (С3)
Отримана фосфогліцеринова кислота спрямовується в цикл Кальвіна.
Якщо в атмосфері звичайне співвідношення концентрацій СО2/О2 порушено на користь кисню, то фермент каталізує реакцію оксигенації (приєднання кисню) і в цьому випадку називається РБФО:
РБФО
О2 + РБФ ФГК + Фосфогліколат.
(С5) (С3) (С2)
В останній реакції фермент РБФК уже каталізує приєднання не вуглекислого газу, а приєднання кисню, оксигеназну реакцію, тому цей же фермент тепер називається РБФО - рибулозабіфосфат оксигеназу. Головним у цій реакції є те, що створюється не дві молекул ФГК, а лише одна та ще молекула фосфогліколату (фосфогліколева кислота)(С2). Фосфатна група відразу відщеплюється і фосфогліколат перетворюється у гліколат (гліколеву кислоту). Таким чином, у цикл Кальвіна може бути спрямована лише одна молекула ФГК замість двох, тобто продуктивність фотосинтезу буде знижено. Гліколат не може бути спрямований у цикл Кальвіна, так як ферменти цього циклу не розраховані на сполуки (С2).
Виникає проблема гліколату: з одного боку, він не може бути використаний в темновій фазі фотосинтезу, а з іншого - втрата для фотосинтезу двох атомів вуглецю гліколату є дуже суттєвою. Адже із п’яти атомів вуглецю рибози, на асиміляцію яких було витрачено велику кількість енергії, два не будуть використані для синтезу органічної речовини. В ході еволюції з’явився метаболічний шлях, названий фотодиханням (цикл гліколевої кислоти, гліколатний шлях). Біологічний зміст цього шляху – максимально можливе повернення вуглецю гліколату у цикл Кальвіна для зменшення втрат вуглецю, на асиміляцію яких раніше було витрачено значну кількість енергії.
Фотодихання здійснюється в результаті взаємодії трьох органел: хлоропластів, пероксисом та мітохондрій. У деяких рослин із низькою інтенсивністю фотосинтезу, фотодихання може складати 50% від інтенсивності фотосинтезу.
Починається фотодихання, як було вказано раніше, із дефосфорилювання фосфогліколату у хлоропластах. Надалі гліколат транспортується до пероксисом. У цих органоїдах він окислюється до гліоксилату. Тут же гліоксилат амінується і перетворюється у амінокислоту гліцин. Гліцин транспортується в мітохондрії, де відбувається найважливіша реакція гліколатного шляху – із двох молекул гліцину (С2) створюється молекула амінокислоти серину (С3) з одночасним декарбоксилуванням. Один атом вуглецю дифундує за межі клітини у складі СО2.
Важливість цієї реакції полягає у тому, що із чотирьох атомів вуглецю, які могли бути втрачені для фотосинтезу, три повернені - у цикл Кальвіна. Вони опинилися у складі амінокислоти серину (С3), а ферменти циклу Кальвіна розраховані на взаємодію саме з трьохвуглецевими сполуками. Надалі серин модифікується до фосфогліцеринової кислоти – основної трьохвуглецевої сполуки темнової фази фотосинтезу. Схема фотодихання (гліколатний шлях) виглядає таким чином:
РБФО
РБФ + О2 ФГК + Фосфогліколат
С5 Цикл С3 С2
Кальвіна АТФ
АТФ
Гліцерат Гліколат
С3ХлоропластС2
Гліцерат О2
НАДФ+ С3
Гліоксилат
НАДФН2 С2
Гідроксипіруват NН2
С3
NН2 Гліцин
ПероксисомаС2
СО2 О2
Серин 2 Гліцин
С3С2
Мітохондрія
Поглинання кисню на початку гліколатного шляху, проходження цього шляху на світлі, виділення СО2 дало всі підстави назвати цей шлях фотодиханням.
Модифікація серину у фосфогліцеринову кислоту здійснюється у декілька етапів. Спочатку серин повертається до пероксисоми, де дезамінується (відщеплення аміногрупи NН2), перетворюючись у гідроксипіруват. Останній відновлюється з використанням НАДФН2 до гліцерату. Гліцерат транспортується у хлоропласт. Тут він фосфорилюється з використанням АТФ, перетворюючись нарешті у необхідну фосфогліцеринову кислоту. ФГК включається у цикл Кальвіна на синтез органічних сполук, частково компенсуючи нестачу цієї важливої речовини у циклі Кальвіна після першої оксигеназної реакції.
У підсумку із двох молекул гліколату утворюється одна молекула ФГК. Таким чином, із гліколату, цього „відходу виробництва,” повертаються до Кальвіна три атоми вуглецю із чотирьох, які могли бути втрачені. „Чисті” втрати для фотосинтезу становлять один атом вуглецю у складі молекули СО2, який не включається в продукти фотосинтезу.
До втрат необхідно віднести і додаткові енергетичні витрати у виглядіНАДФН2та АТФ, тобто процес в цілому проходить із витратами енергії.
Вказані вище факти приводять до того, що фотодихання знижує потенційну продуктивність рослин на 30-40%.
І останнє, тепер ми можемо дати визначення фотодихання – залежне від світла поглинання кисню і виділення СО2.
2.5 С-4 фотосинтез
С-3 - тип фотосинтезу, властивий рослинам помірного поясу, де температура повітря не дуже висока, вологи в ґрунті достатньо, вода випаровується вільно і продихи майже завжди відкриті. Через відкриті продихи в рослину надходить достатня кількість СО2 для карбоксилювання на РБФК.
У багатьох рослин жарких тропічних кліматичних зон, де вологи в ґрунті замало (степ, савани, прерії, пампаси), продихи частково прикриті для зменшення втрати води. Це приводе до зменшення в листку кількості СО2. Між тим, було показано, що активний центр ферменту РБФК, який каталізує приєднання СО2 до РБФ (С5), має подвійну природу і краще працює при високих концентраціях вуглекислого газу. При низьких концентраціях СО2 відбувається явище фотодихання, що знижує інтенсивність фотосинтезу. Отже, в умовах часткового дефіциту вологи С-3 рослини мають значно нижчу продуктивність, що робить їхнє існування в таких умовах достатньо проблематичним.
Очевидно, у зв’язку з цим, у рослин відкритих тропічних рівнин (прерії, пампаси) із відносно високою річною температурою, в ході еволюції виробився так званий С-4 тип фотосинтезу. Він відбувається з високою інтенсивністю навіть при низьких концентраціях СО2 і високих температурах. Так, у однієї з рослин з С-4 типом фотосинтезу у Долині смерті (Каліфорнія) максимальна активність фотосинтезу була зареєстрована при t + 470С.
Для С-4 рослин характерна особлива анатомічна будова листка: всі провідні судини у них оточені подвійним шаром клітин, це так звана „кранц – анатомія”. Цикл Кальвіна здійснюється не в листку, а в клітинах обгортки судинних пучків. У С-4 рослин первинним акцептором СО2 є ФЕП – фосфоенолпіровиноградна кислота (С3), а не РБФ і первинне карбоксилювання здійснює інший фермент - ФЕП-карбоксилаза (ФЕПК), який знаходиться у цитоплазмі. У цього фермента є велика перевага перед ферментом РБФК: його активний центр має надзвичайно високу спорідненість до СО2, тому ФЕПК взаємодіє з найменшою кількістю вуглекислого газу і ніколи не взаємодіє з киснем. Відповідно у цих рослин відсутнє фотодихання і вища продуктивність.
Рослини з С-4 фотосинтезом, додатково до циклу Кальвіна, мають ще так званий цикл Хетча – Слека:
Мезофіл листка Клітини обгортки
судинних пучків
ФЕПК НАДФН2 НАДФ+
ФЕП + СО2 Оксалоацетат Малат СО2 Цикл
(С3) (С4) (С4) Кальвіна
Цикл Хетча – Слека
2 АДФ 2 АТФ
ПВК
(С3)
Основні етапи циклу Хетча – Слека:
1. Фіксація СО2 в клітинах мезофілу. В клітинах мезофілу листка С-4 рослин присутній фермент ФЕПК (ФЕП-карбоксилаза), який замінює функцію РБФК, розташованого в стеблі. ФЕПК приєднує СО2 до фосфоенолпіровиноградної кислоти ФЕП (С3) із створенням оксалоацетату (щавелеоцтової кислоти) (С4). Оксалоацетат є транспортним засобом для перенесення вуглецю до цикла Кальвіна.
2. Малатний шунт. Оксалоацетат відновлюється до малату, який транспортується із клітин мезофілу в клітини обгорток судинних пучків листка. Там малат декарбоксилюється з утворенням СО2 і піровиноградної кислоти (ПВК) (С3). СО2 вступає в цикл Кальвіна, реагуючи з рибулозою (РБФ) (С5) з утворенням фосфогліцеринової кислоти (ФГК) (С3).
3. Регенерація первинного акцептора. Так як темнова фаза С-3 фотосинтезу (цикл Кальвіна) має циклічний характер, то і шлях, що забезпечує надходження СО2 вуглецю також повинен бути циклічним. Тому відбувається регенерація первинного акцептора ФЕП. Для цього піровиноградна кислота (ПВК) повертається в клітини мезофілу. Під час повернення вона фосфорилюється з використанням АТФ до ФЕП – первинного акцептора СО2. Так замикається цикл Хета - Слека. На схемі показано фосфорилювання з використанням двох молекул АТФ. Друга молекула АТФ використовується на активний транспорт СО2 і водню із клітин мезофілу в хлоропласти клітин обгортки судинних пучків.
Основні підсумки С-4 фотосинтезу.
1. Оскільки кожна молекула СО2 при С-4 фотосинтезі акцептується двічі (ФЕП у мезофілі і РБФ у обгортці), витрати енергії при С-4 фотосинтезі приблизно удвічі більші, ніж при С-3 фотосинтезі. С-3 рослини на фіксацію однієї молекули витрачають 3 АТФ, а С-4 рослини – 5 АТФ. Для С-4 рослин кількість енергії не є лімітуючим фактором, тому що АТФ для фотосинтезу створюється під час нециклічного фотофосфорилювання, за рахунок енергії збуджених світлом електронів, а ці рослини існують в умовах надходження дуже великої кількості фотосинтетично активної радіації – ФАР ( висота сонця над горизонтом, тривалість світлового дня), тобто кількість збуджених електронів у фотосистемі надзвичайно велика.
2. За рахунок цілеспрямованого транспортування малату з подальшим декарбоксилуванням у клітинах обгортки постійно підтримується висока концентрація вуглекислого газу. Це забезпечує постійну карбоксилазну, а не оксигеназну активність РБФК у циклі Кальвіна. Таким чином, можливості для фотодихання не буде. Якщо ж фотодихання все ж відбудетьсявається і СО2 виділиться в клітинах обгортки, він буде рефіксованим ферментом ФЕПК у клітинах мезофілу листка.
Отже, чистий вихід органічної речовини під час фотосинтезу у С-4 рослин, так званих тропічних трав – кукурудзи, сорго, проса, цукрової тростини та ін. у 2-3 рази більший, ніж у С-3 рослин зони достатнього зволоження.
САМ-фотосинтез
Серед існуючих на землі кліматичних зон є не лише зони із певним дефіцитом вологи, а й пустелі, де дощу не буває по декілька років. Температура протягом дня сягає +50-550С, рослини продихи взагалі не відкривають через загрозу миттєвої втрати вологу. Єдиною можливістю для випаровування є відкриття продихів вночі, коли температура знижується до +20-300С. Таким чином, надходження вуглекислого газу до рослини в таких умовах можливе тільки вночі. Це привело до появи ще одного типу фотосинтезу - САМ-фотосинтезу, коли фіксація вуглецю здійснюється вночі, а збудження електронів хлорофілу світлом вдень. Перша літера С взята із латинської назви родини товстянкових (Crassulaceae), серед представників якої цей тип фотосинтезу найпоширеніший. Літера А – це acid (вуглець із латинської), М – metabolism. Отже САМ-фотосинтез – це метаболізм вуглецю по типу товстянкових. Даний тип фотосинтезу більш поширений, ніж С-4 фотосинтез.
У рослин із САМ-метаболізмом цикли Кальвіна і Хетча - Слека розділені не лише просторово, а й у часі. Цикл Кальвіна функціонує вдень, а Хетча-Слека – вночі.
Схема САМ-фотосинтезу
День Ніч
Вакуоль
Малат
Декарбоксилування (С4) НАДФ+
Окислення НАДФН2
ПВК
(С3) Оксалоацетат
(С4)
СО2
РБФК РБФ ФЕПК
(С5) ФЕП + СО2
Цукри Цикл (С3)
(С6) Кальвіна
Полімерізація 2ФГК Цукри
(С3) (С6)
Гідроліз
Крохмаль
Хлоропласт
Вночі відбувається первинне карбоксилювання СО2 повітря за участю фермента ФЕПК (цикл Хетча-Слека). Вдень – вторинне карбоксилювання СО2, вивільненого із малату за участю фермента РБФК (цикл Кальвіна). Перехід ніч-день здійснюється через малат, який накопичується у вакуолі. Перехід день-ніч – через крохмаль, який зберігається у хлоропласті і є одним із продуктів фотосинтезу.
Наведені вище характеристики С3, С4, та САМ- фотосинтезу дають зрозуміти, що фотосинтез - єдиний фактор, який визначає екологічну нішу даної рослини. Всі три типи фотосинтетичних механізмів мають свої переваги й недоліки, і рослина може успішно існувати, коли користь від того чи іншого типу фотосинтезу буде переважати інші фактори. Так, хоча С4- рослини в цілому більш стійкі до посухи і високих температур, ніж С3- рослини, при t нижче -250С, вони не можуть успішно конкурувати з ними, почасти через більшу чутливість до холоду. САМ-рослини краще адаптовані до суворої посухи, вони запасають воду, закриваючи продихи вдень. Однак ця властивість значно зменшує їх здатність поглинати та асимілювати СО2. Тому САМ-рослини ростуть повільно і слабо конкурують із С3 та С4 видами при менш екстремальних умовах. Таким чином, пристосованість рослин до умов середовища обмежені. В разі їх змін сталий механізм фотосинтезу не перебудовується.
2.7 Фактори, які впливають на інтенсивність фотосинтезу
Загальний принцип дії всіх лімітуючих факторів було сформульовано ще у 1905 році вченим Блекменом:
при одночасному впливові декількох факторів швидкість хімічного процесу лімітується тим фактором, який ближче за всіх до мінімального рівня. Зміна саме цього фактора буде безпосередньо впливати на даний процес.
Отже, теоретично, швидкість фотосинтезу, як і швидкість будь-якого процесу, який має багато стадій, повинна лімітуватися швидкістю самої повільної реакції. Так, наприклад, для темнових реакцій потрібні НАДФН2 та АТФ, тому вони залежать від світлових реакцій. При слабкому освітленні швидкість утворення цих речовин буде занадто мала, щоб забезпечити максимальну швидкість темнових реакцій, тому лімітуючим фактором буде освітлення. Швидкість або інтенсивність фотосинтезу (ІФ) – це кількість створеної органічної речовини (г сухої речовини) за одиницю часу (г/год.). Цей показник може бути віднесений до сухої ваги рослини, органу (г/год г) або до одиниці площі листкової поверхні (г/год.см2).
ІФ залежить від освітлення, а також від концентрації в повітрі вуглекислого газу, температури.
1.Освітлення. При оцінці впливу світла на той чи інший процес головне - розрізняти вплив його інтенсивності, часу експозиції, якості (спектрального складу):
а) інтенсивність світла (ІС) – це кількість сонячної енергії (квантів світла), яка потрапляє на одиницю площі поверхні. Виражається вона у люксах (лк), вимірюється люксметром.
В ясний літній сонячний день ІС складає приблизно 100000 люкс. Крива залежності інтенсивності фотосинтезу від освітлення називається світловою кривою (рис.11). Ця крива носить характер кривої насичення. При низькій освітленості ІФ прямо пропорційна інтенсивності світла. Тому в умовах малої кількості світла (затінення) світло виступає лімітуючим фактором для фотосинтезу. Надалі настає світлове насичення – крива виходе на плато, тобто подальше збільшення приходу світла на одиницю площі поверхні не приводе до збільшення створення органічної речовини під час фотосинтезу.
Рис.. 11
Залежність інтенсивності фотосинтезу від інтенсивності освітлення [ СО2=0,03%]
ІФ світлолюбиві рослини
(г/г . м2)
12-
тіньовитривалі рослини
10-
8 -
6 -
4-
2-
׀ ׀׀ ׀ ׀׀
5000 10000 15000 20000 25000 30000
Інтенсивність освітлення (лк)
При дуже високій інтенсивності освітлення починається руйнування хлорофілу і знебарвлення листка – світлова крива загинається вниз. Рослини, які в природі знаходяться в таких умовах, захищаються від цього певним способом (товста кутикула, опушені листки тощо). Це так звані еректоїдні форми. Аналіз світлових кривих фотосинтезу дозволяє отримати інформацію про характер роботи фотосинтетичних систем і ферментативного апарату. Чим більший кут нахилу кривої (наближається до 900), тим активніше використовується світлова енергія, створюється більше органічних речовин. Дослідження світлових кривих показало, що тіньовитривалі рослини, які ростуть в умовах нижніх ярусів лісів, найкраще використовують малу кількість світла (рис.11). Так, наприклад, умовно, при освітленні в 5000 лк вони синтезують більше 9 г сухої речовини, а світлолюбиві рослини лише 5 г. У той же час у тіньовитривалих рослин насичення світлової кривої (вихід на плато і припинення подальшого синтезу органічної речовини при збільшенні освітлення) настає набагато раніше, ніж у світлолюбивих. Отже, високу інтенсивність світла вони використовують погано або зовсім не використовують. У рослин, які ростуть в умовах дефіциту світла, набір пігментів відрізняється від набору інших рослин. Темно-зелене забарвлення листків таких рослин, як копитняк, барвінок та ін. обумовлене присутністю у мезофілі окрім хлорофілу а, ще і хлорофілу в.
Світлолюбиві рослини містять, в основному, хлорофіл а (світло-зеленого кольору) і використовують для синтезу органічних речовин високі інтенсивності світла;
б) тривалість освітлення (фотоперіод). Фотосинтез здійснюється на світлі, але тривалість освітлення ніяк не впливає на швидкість цього процесу;
в) якість світла (спектральний склад). Вплив якості світла на процес фотосинтезу можна оцінити за спектром поглинання хлорофілу. Цілком очевидно, що найбільше органічної речовини синтезується при дії тих довжин хвиль, які поглинаються хлорофілом найкраще (максимуми спектра поглинання). Це фіолетова і червона частини спектра. Виключення цих хвиль зі спектру за допомогою світлових фільтрів приводе до різкого зниження ІФ.
2. Концентрація СО2. Для темнових реакцій фотосинтезу потрібний вуглекислий газ, який включається в органічні сполуки. У звичайних польових умовах саме СО2 є головним лімітуючим фактором фотосинтезу. Нормальна концентрація двооксиду вуглецю в атмосфері коливається між 0,03%. Їй відповідає певна ІФ (рис. 12).
Рис. 12.
Вплив вмісту СО2 в атмосфері на інтенсивність фотосинтезу.
| | |||
 | |||
С-4 рослини, будь яка [СО2]
ІФ
(г/г . м2)-
С-3 рослини [СО2 = 0,4%]
10 -
8 -
С-3 рослини [СО2 = 0,03%]
6 -
4 -
2 -
׀ ׀׀ ׀ ׀׀
5000 10000 15000 20000 25000 30000
Інтенсивність освітлення (лк)
Підвищення концентрації вуглекислого газу в повітрі приводе до підвищення інтенсивності фотосинтезу. Оптимальна концентрація СО2 для С-3 рослин – 0,1%. У такій газовій атмосфері рослини тривалий час підтримують високий рівень фотосинтезу за рахунок відсутності фотодихання. Коли концентрація двооксиду вуглецю висока, С-3 рослини поводяться як С-4 рослини, у яких насичення світлової кривої практично не настає до досягнення таких інтенсивностей світла, які руйнують хлорофіл (рис. 12).
При короткочасному впливові оптимальна концентрація складає близько 0,5%, але така концентрація СО2 пошкоджує рослини. Вже зараз інтенсивна технологія вирощування рослин у закритому ґрунті передбачає вирощування овочевих культур в атмосфері, збагаченій на СО2.
3. Температура. Вплив температури на ІФ буде здійснюватися за двома напрямками.
По-перше, темнові реакції фотосинтезу контролюються ферментами, тому вони залежать від температури. Особливо чутливими є процеси нециклічного фотофосфорилювання. Для рослин помірного клімату (С-3) оптимальною температурою фотосинтезу є +15-250С. С-4 рослини особливо гарно себе почувають при температурі +30-350С (рис. 13). Фотосинтез С-3 рослин більш чутливий до підвищеної температури.
Рис. 13
Вплив температури на інтенсивність фотосинтезу.
ІФ мах
(г/г . м2) - С-4 рослини
Мах
12 - С-3 рослини
10 -
8 -
6 -
4 -
2 -
׀ ׀׀ ׀ ׀׀
15 20 25 30 35 40
Температура (0С)
По-друге, вплив температури на фотосинтез пов’язаний із фізичними явищами розчинності газів при різних температурах. Розчинність СО2 у воді при підвищенні температури зменшується. Це значить, що концентрація його в тканинах також зменшується, незважаючи на постійну зовнішню концентрацію цього газу в атмосфері. У таких умовах фермент РБФК проявляє оксигеназну активність і починається фотодихання замість фотосинтезу. Тому у С-3 рослин при відносно низькій температурі ефективність фотосинтезу збільшується, що пов’язано з високою розчинністю СО2 у воді при низьких температурах.
У той же час у С-4 рослин, які еволюційно виникли як форма з іншим метаболізмом вуглецю в жарких кліматичних зонах, ферменти циклу Хетча – Слека при відносно низьких температурах – 15-200С інактивуються і працюють повільно. Тому ІФ у цих рослин у таких температурних умовах поступається ІФ С-3 рослин.
При +30-350С, фотосинтетичні ферменти С-4 рослин діють найактивніше. При температурі +30-350С розчинність вуглекислого газу у воді знижується. Це спричиняє появу фотодихання у С-3 рослин і зниження ІФ. С-4 рослини змін концентрації вуглекислого газу не відчувають через високу спорідненість активного центру ферменту ФЕПК до СО2 і, як наслідок, – відсутність фотодихання. Подальше підвищення температури понад +400С приводе до початку денатурації білку і, відповідно, падіння ІФ. Це ж стосується і рослин із С-3 типом фотосинтезу.
4. Вода. Хоча вода – один із субстратів для синтезу органічних речовин в рослині, виділити безпосередній вплив води на фотосинтез неможливо, тому що її нестача впливає на багато різноманітних клітинних процесів. Досліди доводять, що тимчасове зав’ядання призводе до втрат врожаю. Однією із причин може бути те, що в цей період у рослин закриваються продихи і припиняється надходження СО2 для фотосинтезу.
5. Концентрація хлорофілу. В нормально розвиненій рослині кількість хлорофілу на одиницю площі листка або одиницю ваги не буває лімітуючим фактором. Концентрація хлорофілу може знизитися при хворобах рослини, нестачі мінеральних речовин або з віком. Нестача хлорофілу (хлороз) може бути викликаний і нестачею світла, так як світло потрібне для кінцевої стадії біосинтезу хлорофілу. В таких випадках кількість хлорофілу стає лімітуючим фактором.
Питання до семінарських занять
Заняття І
1. Поясніть, чому неорганічні речовини майже не використовуються як джерела енергії.
2. У чому полягає фізіологічна роль сонячної енергії у фотосинтезі?
3. Вкажіть загальний хімічний напрямок процесу фотосинтезу.
4. У чому полягає необхідність синтезу АТФ і НАДФН2 під час фотосинтезу?
5. Проіллюструйте будову хлорофілу і його участь у сприйнятті сонячної енергії.
6. Вкажіть, чим відрізняються хлоропласти і хроматофори.
7. Поясніть факт існування кількох видів хлорофілів.
8. Поясніть, чому рослини мають саме зелений, а не інший колір.
Заняття ІІ
1. Що відбувається з хлорофілом при потраплянні на нього сонячного світла?
2. Поясніть, чому фотосистема – це саме функціональне угрупування хлорофілів.
3. Якою моделлю можна проілюструвати діяльність фотосистеми?
4. Поясніть, чому в фотосистемі існує саме таке, а не інше співвідношення допоміжних і головних хлорофілів.
5. Поясніть, чому головні хлорофіли мають цифрове позначення 690 і 700, а не інше.
6. Головний хлорофіл у фотосистемі іще називають реакційним центром, чому?
7. Як пов’язана відстань між хлорофілами у фотосистемі і перенесення сонячної енергії в ній?
8. Поясніть, чому механізм перенесення сонячної енергія у фотосистемі назвали індукційний резонанс.
Заняття ІІІ
1. Чим фотофосфорилювання відрізняється від окисного і субстратного фосфорилювання?
2. Чому фотофосфорилювання називається нециклічним?
3. Вкажіть подальшу долю продуктів фотолізу води.
4. В чому принципові відмінності моделей функціювання системи GF1-F0 (АТФ – синтетази) за Боєром і Мітчелом.
5. Поясніть причини виникнення С-4 фотосинтезу.
6. Поясніть причини виникнення САМ - фотосинтезу.
7. Проіллюструйте відмінності світлосприйняття тіньовитривалими і світлолюбивими рослинами.
8. Проіллюструйте відмінності впливу зміни температури та концентрації СО2 на рослини з С3 та С4 типом фотосинтезу.
РОЗДІЛ 3. ВОДНИЙ РЕЖИМ
Значення води для рослин визначається будовою молекули води, її електричною дипольністю, водневими зв’язками між молекулами:
1. Вода – відмінний розчинник полярних речовин, до яких відносяться іонні сполуки (солі), що дисоціюють на іони в розчині, а також деякі неіонні сполуки (цукри, спирти), у молекулах яких присутні полярні групи, наприклад ОН. Молекули та іони розчинених речовин отримують можливість рухатися більш вільно і їх реакційна здатність збільшується.
2. Вода має велику теплоємкість, що означає: що суттєве збільшення теплової енергії викликає лише порівняно невелике підвищення її температури. Це пояснюється тим, що значна частина цієї енергії використовується на розрив водневих зв’язків між молекулами води. Велика теплоємкість води зводить до мінімуму температурні зміни в ній. Завдяки цьому біохімічні процеси відбуваються в меншому інтервалі температур із постійною швидкістю без значних відхилень.
3. Для випаровування води необхідна досить велика кількість енергії (прихована теплота випаровування). Ця енергія береться із найближчого оточення, таким чином випаровування супроводжується охолодженням поверхні або середовища.
4. Вода із усіх рідин має найбільшу силу поверхневого натягу. На поверхні води діють сили когезії – зчеплення молекул води за рахунок електростатичної взаємодії. Рідина намагається набути такої форми, щоб площа її поверхні була мінімальною, в ідеалі – форму шару.
5. Вода являє є одним із необхідних реагентів, який бере участь у хімічних реакціях (гідроліз), вона також використовується як джерело водню в процесах фотосинтезу (фотоліз).
Найважливіші біологічні функції води в рослинному організмі є такими:
1. Вода забезпечує осмос і тургесцентність. Від цього залежить ріст клітин підтримка їх структури, рух продихів тощо.
2. Бере участь у фотосинтезі.
3. Забезпечує транспірацію, а також транспортування неорганічних іонів і органічних молекул.
4. Забезпечує проростання насіння – набухання, розрив насіннєвої шкірки і подальший розвиток.
Всі наземні рослини, що знаходяться у повітряному середовищі і постійно випаровують воду, розділяють за пристосуванням до короткочасних змін умов випаровування.
Пойкілогідричні рослини – це рослини з непостійним вмістом води у тканинах, які не мають центральної вакуолі. При зменшенні води в середовищі вони врівноважують внутрішній вміст води з вологістю навколишнього середовища за рахунок переходу протопласту із рідкого стану – золю - в щільний стан – гель. Коли ж ці рослини знову поглинають воду, у них відновлюється нормальний метаболізм. Такий спосіб регулювання метаболізму зустрічається у бактерій, синьо – зелених водоростей, деяких нижчих водоростей, грибів та лишайників, мохів сухих місць, небагатьох спорових судинних рослин і дуже небагатьох покритонасінних. Серед окремих органів пойкілогідричними є пилкові зерна та зародки в насінині.
Гомойгідричні рослини – це рослини, що мають велику центральну вакуоль. Завдяки внутрішньому водному резервуару цитоплазма стає менш залежною від змін кількості води ззовні. Ступінь насичення клітин водою стабілізується запасом води у вакуолі. Однак клітина з крупною вакуолею втрачає здатність до висихання-набухання, і тому перші наземні гомойгідричні рослини зустрічалися виключно у місцях сильного зволоження, на кордоні водойм та суші. Подальше заселення суші такими рослинами було б неможливе. Потрібні були пристосування, які б забезпечували захист від нестачі вологи далеко від її джерел (водойм). Це майже водонепроникні кутикула, продихи, диференційована судинна система, корінь та ін., які виникли пізніше.
3.1 Водний обмін на рівні клітини
У клітині розрізняють три форми води – вільну, зв’язану та резервну.
Вільна вода – це молекули води, не зв’язані ні з якими іншими молекулами, як органічними так і неорганічними. Завдяки високій проникності плазмалеми для води молекули її достатньо рухливі. Це стосується як руху води між клітинами, так і всередині самої клітини.
Зв’язана вода – це молекули води, які за рахунок різних типів сил взаємодії зв’язані з молекулами неорганічних і органічних речовин, а також з іонами. Зв’язана вода, в свою чергу, має такі різновиди;
1) гідратаційна або осмотично-зв’язана вода. Це вода, яка утворює гідратні оболонки навколо заряджених частинок іонів та полярних молекул. Осмотичний тиск визначається концентрацією речовини, яка знаходяться в даному розчині. Саме концентрація речовин у різних ділянках клітини визначає напрямок руху вільної води за осмосом. Вода гідратних оболонок заряджених частинок не може рухатися за осмотичними закономірностями, тому її називають осмотично-зв’язаною;
2) колоїдно- зв’язана вода. До цієї групи відносять молекули води гідратних оболонок високомолекулярних полімерних органічних молекул (білки, полісахариди). Молекули води утворюють гідратні оболонки навколо полярних груп цих молекул (гідроксо, карбоксо та аміногрупи). Цим дана форма води відрізняється від попередньої, де молекули води утворюють суцільні оболонки навколо іонів або полярних молекул різних речовин. До колоїдно – зв’язаної води включають так звану іммобілізаційну воду, яка знаходиться всередині макромолекул, наприклад білкових глобул. До цієї ж групи відносять і інтерміцелярну воду, яка знаходиться у просторі між міцелами полімерних речовин;
3) капілярно – зв’язана вода, розташована в клітинних стінках. Основою клітинної стінки є мікрофібріли целюлози, між якими знаходяться речовини матриксу. В першу чергу це пектинові речовини, молекули яких є довгими ланцюгами, багатими на гідрофільні метильні та гідроксильні групи. Ці групи атомів зв’язують велику кількість води. Більш рухома вода у проміжках між фібрилами. До капілярно – зв’язаної води відноситься також вода, яка знаходиться в судинах провідної системи.
Резервна вода знаходиться у водозабірних компартментах та вакуолях. Загалом її можна віднести до колоїдно – зв’язаної води. Вона зв’язана з розчинними органічними кислотами, цукрами та ін. Високомолекулярні речовини можуть накопичуватися у великій кількості, майже не підвищуючи осмотичного тиску, бо для осмотичного тиску головне -кількість розчинених молекул, а не їх розміри. Тому шляхом полімеризації осмотично активних дрібних молекул в макромолекули (наприклад, цукрів у крохмаль) та шляхом зворотного гідролізу клітина може швидко регулювати осмотичне зв’язування резервної води.
Вище показано стан і кількість води в цитоплазмі і клітинній стінці. Що стосується окремих органоїдів клітини, то вони значно відрізняються за вмістом води. В органоїдах, які містять багато ліпофільних речовин в мембранах, відсоток вмісту води завжди менший, ніж у середньому у клітині. Так, пластиди і мітохондрії з добре розвинутою системою мембран лише на 50% складаються з води.
Ядро, хоча і має подвійну мембрану, за вмістом води знаходиться в динамічній рівновазі з цитоплазмою.
У вакуолях із високим вмістом води клітинний сік можна розглядати як водний істиний розчин цукрів, органічних кислот та їх солей, неорганічних солей та колоїдних речовин (білків). У вакуолях із високим вмістом колоїдних речовин значна частка води адсорбується на поверхні колоїдних часток і клітинний сік не можна розглядати як водний розчин, за багатьма показниками він нагадує гель.