УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2011, том 131, № 2, с. 178-193
УДК 581.132:576.343:539
КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ ПРИРОДА УГЛЕРОДНОГО МЕТАБОЛИЗМА В ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩЕЙ КЛЕТКЕ ПО ДАННЫМ ИЗОТОПНОГО
СОСТАВА УГЛЕРОДА
© 2011 г. А. А. Ивлев
Российский государственный аграрный университет - "МСХА им. К.А.Тимирязева ", Москва
E-mail: aa.ivlev@list.ru
Проанализированы данные по изотопному составу углерода клеточных метаболитов. Показано, что углеродный метаболизм в фотосинтезирующей клетке имеет колебательный характер. В отличие от фотосинтеза, колебания углеродного метаболизма в гликолитической цепи являются длин-нопериодическими и состоят из двух фаз: гликолиза, протекающего в темновой период, и глюко-неогенеза, происходящего в световой период функционирования клетки. Установлено, что в ряде ключевых метаболических реакций клетки в ходе колебаний возникают кинетические изотопные эффекты, которые приводят к межкомпонентной и внутримолекулярной изотопной гетерогенности биомассы. В результате изотопные различия метаболитов отражают последовательность метаболических событий и могут использоваться как тонкий инструмент исследования временной организации работы клетки.
Ключевые слова: фотосинтез, фотодыхание, осцилляции, фракционирование изотопов углерода, изотопный эффект, неравномерное внутримолекулярное распределение изотопа 13С.
ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЕ ОСЦИЛЛЯЦИИ
Многолетние исследования изотопного фракционирования углерода при фотосинтезе с одновременным изучением связи межкомпонентных и внутримолекулярных изотопных распределений метаболитов с путями метаболических превращений позволили заключить, что фотосинтез является осцилляционным процессом, состоящим из фаз ассимиляции СО2 и фотодыхания [5, 6, 9, 41]. К этой мысли подтолкнуло обнаружение двух различных по изотопному составу потоков углеродных субстратов, один из которых связан с реакцией ферментативного карбоксилирования рибулозобисфосфата (РиБФ), протекающей при ассимиляции СО2 на входе в цикл Кальвина, другой - с реакцией ферментативного декарбокси-лирования глицина, протекающей в гликолатном цикле, связанном с фотодыханием [9]. Если бы фотосинтез был, как принято считать [37, 39, 48], стационарным процессом, то цикл Кальвина, через который проходят потоки, связанные с ассимиляцией и фотодыханием, приводил к их смешению, и образование двух разных по изотопному составу потоков было бы невозможно. В этой связи мы предположили, что цикл Кальвина функционирует в двух режимах: ассимиляции СО2, когда фиксируемый углерод превращается в глю-
козо-6-фосфат (Г6Ф) с одновременным ресинте-зом акцептора СО2 - РиБФ (рис. 1), и фотодыхания, когда накопленный Г6Ф возвращается в цикл и превращается в рибозы. Последние, расщепляясь, образуют гликолат и поступают в гликолат-ный цикл, составляющий с циклом Кальвина замкнутую фотодыхательную петлю [6] (рис. 2).
Переключения цикла Кальвина с одного режима на другой происходят благодаря двойственной способности ключевого фермента фотосинтеза -рубиско работать как карбоксилаза и как оксиге-наза (см. далее). Таким образом, фаза ассимиляции СО2 совпадает с карбоксилазной функцией рубиско, а фаза фотодыхания - с оксигеназной. При этом задающая эффект реакция - карбокси-лирование РиБФ, сопровождающая фиксацию СО2, обеспечивает обогащение фиксируемого углерода (биомассы) легким изотопом 12С относительно СО2 среды, а другая реакция декарбокси-лирования глицина, протекающая сопряженно с другими реакциями фотодыхательной петли, снижает это обогащение, или, иными словами, обогащает биомассу изотопом 13С. Это позволяет утверждать, что изотопный эффект ассимиляции СО2 и фотодыхания имеют противоположные знаки.
Следуя этой же логике можно сделать вывод, что упомянутые различающиеся по изотопному составу потоки питаются из двух углеводных
6СО;
сн2о® «¡>0
в Н90Н неон
/сн2о®
1^0© о
Ь^ОН
2нфн _ неон сн2о® Ри5Ф
НО Н^ОН
неон
'¿н20® 2нфн
Ри5Ф НСОН
'сн2о©
Ьуш с=о 2 но^н неон сн^о® Кс5Ф
Рис. 1. Схема работы цикла Кальвина в карбокси-лазную фазу функционирования рубиско. Цифры на стрелках и перед изображением молекул показывают количество молекул, участвующих и образующихся в превращениях цикла; цифры перед изображением атомов показывают номера углеродных атомов в молекуле ФГК и их перемещения в ходе реакций цикла; * - атомы экзогенного углерода, попадающие в карбоксильную группу 3-карбокси -3-кетопентита, а затем в положение С-3 ФГК; © - фосфатная группа в составе молекул.
фондов, один из которых образуется в карбокси-лазную фазу функционирования рубиско и обогащен 12С относительно второго, образующегося в оксигеназную фазу. Первый запасается в виде крахмала, сохраняемого клеткой до темнового периода, а затем используется для снабжения гли-колитической цепи клетки, в которой происходят синтезы компонентов липидной и белковой фракций. Часть фонда в виде промежуточных продуктов цикла используется для синтеза компонентов лигниновой фракции по "шикиматному" пути и для других нужд.
Второй фонд связан с оксигеназной фазой рубиско и образуется из оставшейся части Г6Ф. После того, как рубиско переключается на ок-сигеназную функцию, оставшийся после карбо-ксилазной фазы поток Г6Ф устремляется в гли-колатный цикл (рис. 2). Накопление в субстратах цикла "тяжелого" изотопа углерода в оксигеназ-ную фазу происходит вследствие того, что вращающийся в фотодыхательной петле углеродный поток при каждом обороте проходит реакцию де-карбоксилирования глицина, в которой "легкий" изотоп 12С преимущественно уносится из клетки с СО2, а обогащенный 13С субстрат возвращается на ресинтез Г6Ф, обогащая углерод фонда изотопом 13С. Фонд Г6Ф в оксигеназную фазу расхо-
дуется на синтез лабильных углеводов, частично органических кислот, Часть фотодыхательных субстратов используется при синтезе некоторых аминокислот (серина, глицина, пролина) и других продуктов фотодыхания (гликолевой кислоты, ок-салатов), фрагментов сложных молекул [5, 6]. Часть лабильных углеводов идет на экспорт для обеспечения роста гетеротрофных частей растения (см. ниже).
Межкомпонентная изотопная гетерогенность, обусловленная существованием двух разных по изотопному составу фондов и связанных с ними потоков субстратов, вполне очевидна. Проиллюстрируем, как эта причина приводит к возникновению внутримолекулярной изотопной неоднородности. На рис. 3 изображены растительные глюкозинолаты - амигдалин, выделенный из семян горького миндаля, и глюкосинальбин, выделенный из листьев белой горчицы, в которых экспериментально изучен изотопный состав отдельных фрагментов молекул [45]. Видно, что
Рис. 2. Схема работы цикла Кальвина в оксигеназную фазу фотосинтетических колебаний и распределение атомов углерода в скелете метаболитов. Обозначения см. рис. 1.
-28.1 I -22.9 /З-КЛс -25.8
1Ч=С—Н2С— О—I гентобиоза Н2С—С [(фотодыхание)
¡(фотодыхание) ^ 0803
| амигдалин из семян горького миндаля
нс=сн—с=о
глюкозиналбин
I из листьев белой горчицы ин
из серина
о-^снг-сн2-гм(сн3)3 -26.0 I
Н3СО'
холиновый эфир синановой кислоты
Рис. 3. Изотопный состав углерода фрагментов некоторых растительных глюкозинолатов, иллюстрирующий наличие в клетках двух различающихся потоков, возникающих в карбоксилазной и оксигеназной фазах соответственно (по данным [45]).
агликоновые фрагменты, содержащие ароматическое ядро, значительно легче по изотопному составу углерода углеводных фрагментов молекул. Понятно, что различия связаны с разным источником углеродных атомов для синтеза фрагментов. Действительно, агликоновый фрагмент молекул наследует атомы, сохраняющие изотопный состав Г6Ф, образовавшегося в карбоксилазную фазу ("шикиматный" путь синтеза), тогда как углеводный фрагмент существенно "тяжелее", что, вероятнее всего, объясняется его связью с Г6Ф, синтезируемым в оксигеназной фазе.
Приведенный на рис.3 холиновый эфир сина-повой кислоты углеводной части не имеет, но содержит в холиновой части двухуглеродный фрагмент, который унаследован от серина. Подобно предыдущим случаям, изотопный состав ароматической части молекулы за вычетом углерода метильных и метоксильных групп обогащен изотопом 12С, и его синтез, вероятнее всего, протекает по "шикиматному" пути. Серин имеет гораздо более "тяжелый" изотопный состав, который естественно связать с гликолатным циклом, где он образуется из глицина. Этим же можно объяснить и отмеченную ранее [26] обогащенность изотопом 13С серина и глицина белковой фракции фо-тосинтезирующих организмов.
Естественным образом осцилляционная модель объясняет обогащенность изотопом 13С ге-тероторфных органов растений (семян, плодов, корней, древесины ветвей и стволов деревьев) относительно автотрофных (листвы, хвои) [29, 32]. Небольшое, но устойчивое утяжеление изотопного состава гетеротрофных органов обусловлено тем, что в их росте участвуют, главным образом,
лабильные углеводы (сахароза) [15], синтезируемые за счет фонда, создаваемого в оксигеназную фазу осцилляций, а в синтезе автотрофных органов существенную роль играют липиды и белки, образующиеся за счет углеводного фонда, накапливаемого в карбоксилазную фазу. Это подтверждается данными авторов [38], которые обнаружили, что растворимая часть органического вещества листа, представленная в значительной степени водорастворимыми углеводами, имеет приблизительно тот же диапазон колебаний изотопного состава углерода, что и углерод сока флоэмы, а нерастворимая часть органического вещества листа, включающая липиды и белки, обогащена относительно растворимой части изотопом 12С (рис. 4).
О существовании фотосинтетических осцил-ляций свидетельствуют также предсказанные моделью различия во внутримолекулярном распределении изотопов углерода в Г6Ф углеводного фонда, образованного в карбоксилазную и оксигеназную фазу фотосинтеза, которые получили экспериментальное подтверждение в виде характерных особенностей изотопного распределения глюкозы крахмала запасающих органов растений. Компьютерное моделирование показывает [5,6], что в мономерных звеньях углеводов в карбоксилазную фазу распределение изотопов углерода должно быть приблизительно равномерное, поскольку благодаря
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.