Фотосинтез: C₃, C₄ і CAM — Біохімія рослин, Онлайн лабораторія НУБіП

01Загальна картина

Фотосинтез — процес, у якому рослина за рахунок енергії світла перетворює вуглекислий газ і воду на органічні речовини та виділяє кисень. Це єдине джерело органічної речовини й кисню на планеті: за рік рослини суші й океану фіксують близько 120 млрд т вуглецю.

6 C O_{2} + 12 H_{2} O \overset{світло,}{⟶} C_{6} H_{12} O_{6} + 6 O_{2} + 6 H_{2} O

Увесь процес відбувається в хлоропласті і складається з двох зв'язаних етапів. Світлові реакції йдуть на мембранах тилакоїдів: пігменти поглинають світло, вода розщеплюється з виділенням O₂, а енергія електронів запасається в ATP і відновнику NADPH. Темнові (карбонові) реакції йдуть у стромі: за рахунок ATP і NADPH вуглекислий газ відновлюється до цукрів у циклі Кальвіна. Назва «темнові» умовна: ферменти циклу активуються саме на світлі.

Хлоропласт: тилакоїди зібрані в грани (світлові реакції), строма містить ферменти циклу Кальвіна. Жовті й сині частинки — потоки ATP і NADPH від гран до циклу та повернення ADP і NADP⁺.

Чому шляхів три?

Ключовий фермент фіксації CO₂ — Рубіско — з'явився в бескисневій атмосфері й плутає CO₂ з O₂. У сучасному повітрі (21 % O₂ проти 0,042 % CO₂) це спричиняє втратне фотодихання. C₄- і CAM-рослини навчилися концентрувати CO₂ біля Рубіско.

C₃

Без концентрування CO₂: Рубіско працює з CO₂, що дифундує з повітря. ≈ 85 % видів рослин.

C₄

Просторове розділення: мезофіл накачує CO₂ у клітини обкладки пучка. ≈ 3 % видів, але чверть світової первинної продукції.

CAM

Часове розділення: уночі CO₂ запасається у вакуолі як малат, удень — повертається в цикл Кальвіна. ≈ 6 % видів.

02C₃-фотосинтез: цикл Кальвіна

Цикл Кальвіна — Бенсона — Басхема відбувається в стромі хлоропластів. Назва «C₃-шлях» походить від першого стабільного продукту — тривуглецевої 3-фосфогліцеринової кислоти (3-ФГК). Щоб на виході отримати одну молекулу тріозофосфату (3 атоми C), цикл має зробити три оберти, тобто зафіксувати 3 CO₂. Цикл має три фази.

Карбоксилювання. Рубіско приєднує CO₂ до п'ятивуглецевого акцептора рибулозо-1,5-бісфосфату (RuBP). Нестійкий C₆-інтермедіат одразу розпадається на дві молекули 3-ФГК. Реакція практично необоротна (ΔG°′ ≈ −35 кДж/моль).
Відновлення. 3-ФГК фосфорилюється ATP до 1,3-бісфосфогліцерату, який NADPH відновлює до гліцеральдегід-3-фосфату (Г3Ф) — тріозофосфату, первинного цукру фотосинтезу. Саме тут витрачається вся «світлова» енергія NADPH.
Регенерація RuBP. З шести утворених тріозофосфатів один виходить із циклу (на синтез сахарози в цитозолі чи крохмалю в хлоропласті), а п'ять (15 атомів C) через низку перетворень (альдолаза, транскетолаза, фосфатази) дають три п'ятивуглецеві молекули, які фосфорибулокіназа за рахунок ATP перетворює на RuBP.

3 C O_{2} + 9 ATP + 6 NADPH ⟶ 1

(1)

На одну молекулу глюкози (6 обертів) — 6 CO₂, 18 ATP і 12 NADPH; на кожен CO₂ — 3 ATP і 2 NADPH.

Рубіско — найпоширеніший білок Землі. Фермент складається з 8 великих (ген rbcL у ДНК хлоропласту) і 8 малих субодиниць (гени RBCS у ядрі). Він дуже повільний — лише 3–4 акти каталізу за секунду, — тому займає 30–50 % розчинного білка листка.

Світлова регуляція. Щоб цикл не «спалював» ATP у темряві, його ключові ферменти вмикаються лише на світлі: тіоредоксин, відновлений фередоксином від ФС I, активує ГАФДГ, ФБФазу, СБФазу та ФРК; Рубіско активується Рубіско-активазою, карбамілюванням лізину-201 і зростанням pH строми до 8 та концентрації Mg²⁺.

03Фотодихання

Активний центр Рубіско приєднує не лише CO₂, а й O₂. Співвідношення швидкостей карбоксилювання (v_c) та оксигенування (v_o) залежить від специфічності ферменту S_c/o ≈ 80–100 і концентрацій газів біля нього:

\frac{v_{c}}{v_{o}} = S_{c / o} \cdot \frac{[C O_{2}]}{[O_{2}]}

(2)

Навіть за 25 °C кожне четверте-п'яте спрацьовування Рубіско — «помилкове». Оксигенування дає одну молекулу 3-ФГК та двовуглецевий 2-фосфогліколат, який отруює ферменти хлоропласту. Його переробляє гліколатний шлях (цикл C₂), що охоплює три органели: з двох молекул 2-фосфогліколату (4 атоми C) повертається одна 3-ФГК (3 C), а один атом вуглецю втрачається як CO₂. Крім того, виділяється NH₃, який треба знову зв'язати.

Фотодихання різко зростає в спеку й посуху: розчинність CO₂ з нагріванням падає швидше, ніж розчинність O₂; специфічність Рубіско знижується; продихи закриваються, і CO₂ у листку вичерпується. На одне оксигенування рослина витрачає 3,5 ATP і 2 NADPH, нічого не отримуючи. Утім, фотодихання не марне: воно скидає надлишок енергії світла, коли продихи закриті (захист від фотоінгібування), і постачає гліцин і серин.

Умови для листка C₃-рослини

карбоксилювання (v_c)оксигенування (v_o)

Γ* (компенсаційний пункт фотодихання)

—

v_o / v_c

—

Втрата щойно фіксованого C

—

Додаткові витрати на 100 CO₂

—

04C₄-фотосинтез (цикл Хетча — Слека)

C₄-фотосинтез незалежно виник понад 60 разів як пристосування до спеки, яскравого світла й посухи. Перший продукт фіксації — чотиривуглецева щавлевооцтова кислота (оксалоацетат), яка швидко перетворюється на малат чи аспартат. Майже всі C₄-рослини мають кранц-анатомію (нім. Kranz — вінок): провідний пучок оточений щільним шаром великих клітин обкладки, а навколо нього — кільце клітин мезофілу.

Мезофіл контактує з міжклітинниками, але не має Рубіско. Тут карбоангідраза перетворює CO₂ на HCO₃⁻, а ФЕП-карбоксилаза приєднує його до фосфоенолпірувату (ФЕП). Цей фермент має високу спорідненість до субстрату й зовсім не реагує з O₂.
Обкладка пучка містить усю Рубіско і ферменти циклу Кальвіна. C₄-кислота надходить сюди через плазмодесми й декарбоксилюється: концентрація CO₂ сягає 1000–2000 ppm (у 10–20 разів більше, ніж у листку C₃-рослини), і фотодихання майже зникає.
Тривуглецевий залишок повертається в мезофіл, де піруват-ортофосфатдикіназа (ППДК) регенерує ФЕП. Це коштує 2 ATP на кожен CO₂, тож C₄-шлях потребує 5 ATP і 2 NADPH на CO₂ замість 3 і 2 у C₃.

Підтип	Декарбоксилаза в обкладці	Кислота M → О	Повертається О → M	Хлоропласти обкладки	Приклади
НАДФ-МЕ	НАДФ-малік-ензим, хлоропласт	малат	піруват	агранальні (майже без ФС II), суберинова пластинка	кукурудза, цукрова тростина, сорго, мишій
НАД-МЕ	НАД-малік-ензим, мітохондрія	аспартат	аланін	гранальні	просо, щириця (амарант), портулак, лобода
ФЕП-КК	ФЕП-карбоксикіназа, цитозоль (+ НАД-МЕ)	аспартат, малат	ФЕП, аланін	гранальні, суберинова пластинка	гвінейська трава, хлоріс, спартина

05CAM-метаболізм

CAM (Crassulacean Acid Metabolism, метаболізм за типом товстянкових) уперше виявили в каланхое й товстянки, де вміст кислот і pH клітинного соку коливаються протягом доби. У CAM-рослин обидва карбоксилювання — ФЕП-карбоксилазою і Рубіско — відбуваються в одній клітині, але в різний час. Продихи відкриваються вночі, коли прохолодно й волого, і закриті в спекотний день: CAM-рослини витрачають на 1 г сухої речовини лише 20–100 г води (C₃ — 400–900 г).

Фаза I — ніч. Продихи відкриті. Крохмаль розщеплюється в гліколізі до ФЕП, ФЕП-карбоксилаза фіксує CO₂, оксалоацетат відновлюється до малату. Малат закачується у велику центральну вакуолю, де перетворюється на яблучну кислоту; pH клітинного соку падає з ≈ 6 до 3–3,5.
Фаза II — світанок. Продихи ще 1–2 години відкриті; деякий час одночасно працюють ФЕП-карбоксилаза і Рубіско.
Фаза III — день. Продихи щільно закриті. Яблучна кислота виходить з вакуолі й декарбоксилюється; CO₂ у клітині сягає 3000–10 000 ppm, і Рубіско працює майже без фотодихання. Піруват через глюконеогенез повертається в крохмаль — запас ФЕП на наступну ніч.
Фаза IV — вечір. Коли малат вичерпано, а води достатньо, продихи знову відкриваються, і рослина фіксує CO₂ напряму, як C₃. У посуху фази II і IV випадають, а за тривалої посухи настає CAM на холостому ходу: продихи закриті цілодобово, рослина лише переробляє власний «дихальний» CO₂.

00:00

Добовий хід: поглинання CO₂ листком, малат у вакуолі та провідність продихів

06Модель: C₃ проти C₄

Як швидкість фотосинтезу залежить від CO₂, світла й температури, описує біохімічна модель Фаркуара — фон Каммерер — Беррі (FvCB). Чистий фотосинтез листка C₃ обмежує найповільніший із процесів: активність Рубіско (W_c), регенерація RuBP за рахунок електронного транспорту (W_j) або використання тріозофосфатів (W_p):

A_{net} = \min (\frac{V_{c, \max} (C_{i} - Γ^{*})}{C_{i} + K_{c} (1 + O / K_{o})},

(3)

Γ* — компенсаційний пункт фотодихання (≈ 43 ppm при 25 °C); K_c, K_o — константи Міхаеліса Рубіско для CO₂ і O₂; J — швидкість електронного транспорту, що залежить від освітленості; R_d — мітохондріальне дихання. Усі константи змінюються з температурою за рівнянням Арреніуса: K_c зростає швидше, ніж K_o, тож у спеку фотодихання стрімко посилюється. Для C₄ використано двокомпартментну модель фон Каммерер: ФЕП-карбоксилаза мезофілу (V_p) накачує CO₂ в обкладку, де працює Рубіско.

Вісь графіка

Умови

A, C₃ (пшениця)

—

A, C₄ (кукурудза)

—

Обмежує C₃

—

Фотодихання C₃

—

CO₂ в обкладці C₄

—

07Порівняння та приклади рослин

Ознака	C₃	C₄	CAM
Перший карбоксилюючий фермент	Рубіско	ФЕП-карбоксилаза	уночі ФЕП-карбоксилаза, удень Рубіско
Перший стабільний продукт	3-ФГК (C₃)	оксалоацетат (C₄) → малат / аспартат	уночі малат у вакуолі, удень 3-ФГК
Розділення фіксацій	немає	просторове: мезофіл → обкладка	часове: ніч → день
Анатомія листка	палісадний і губчастий мезофіл	кранц-анатомія	сукулентний мезофіл з великими вакуолями
Енергія на 1 CO₂	3 ATP + 2 NADPH	5 ATP + 2 NADPH	5,5–6,5 ATP + 2 NADPH
Фотодихання	високе: 20–40 % при 25–35 °C	< 2–5 %	дуже низьке у фазі III
CO₂-компенсаційний пункт	40–60 ppm, росте з температурою	0–5 ppm	0–5 ppm уночі
Температурний оптимум	15–25 °C	30–45 °C	удень 30–35 °C, уночі 10–20 °C
Насичення світлом	при 500–1000 мкмоль·м⁻²·с⁻¹	не насичується навіть на повному сонці	помірне
Води на 1 г сухої речовини	400–900 г	250–350 г	20–100 г
Макс. швидкість фотосинтезу	15–35 мкмоль CO₂·м⁻²·с⁻¹	35–65	1–10
δ¹³C біомаси	від −24 до −34 ‰	від −10 до −16 ‰	від −10 до −20 ‰

C₃-рослини

Помірний клімат, достатня волога; ≈ 85 % видів.

Пшениця Triticum aestivumголовна зернова культура України
Рис Oryza sativaгодує половину людства
Соя, горох, квасоля Glycine max, Pisum sativum, Phaseolus vulgarisбобові
Соняшник Helianthus annuusолійна культура
Цукровий буряк, картопля Beta vulgaris, Solanum tuberosum
Дерева Quercus, Fagus, Pinus, Betulaусі лісові породи

C₄-рослини

Спека, яскраве світло, посуха; переважно злаки тропічного походження.

Кукурудза Zea maysНАДФ-МЕ; рекордна продуктивність
Цукрова тростина Saccharum officinarumНАДФ-МЕ
Сорго Sorghum bicolorпосухостійка культура
Просо Panicum miliaceumНАД-МЕ
Щириця Amaranthus retroflexusНАД-МЕ; злісний бур'ян
Мишій, плоскуха Setaria viridis, Echinochloa crus-galliбур'яни посівів

CAM-рослини

Пустелі, скелі, крони дерев (епіфіти); ≈ 6 % видів.

Ананас Ananas comosusголовна CAM-культура
Агава Agave tequilanaсировина для текіли
Опунція, кактуси Opuntia ficus-indica, Cactaceae
Каланхое, товстянка Kalanchoe, Crassula ovataродина товстянкових — звідси назва
Орхідеї, ваніль Phalaenopsis, Vanilla planifoliaепіфіти
Кришталева трава Mesembryanthemum crystallinumперемикається C₃ ↔ CAM під час посухи

08Контрольні питання

Чому для синтезу однієї молекули тріозофосфату потрібно три оберти циклу Кальвіна?

За один оберт фіксується одна молекула CO₂ (1 атом C). Тріозофосфат містить 3 атоми C, тому треба зафіксувати 3 CO₂; решта 15 атомів C із шести тріозофосфатів ідуть на регенерацію трьох молекул RuBP.

Скільки ATP і NADPH потрібно на одну молекулу глюкози в C₃- і C₄-рослин?

C₃: 18 ATP і 12 NADPH (3 і 2 на кожен CO₂). C₄: 30 ATP і 12 NADPH, бо регенерація ФЕП ферментом ППДК коштує ще 2 ATP на CO₂.

Чому фотодихання посилюється в спеку і посуху?

Розчинність CO₂ з нагріванням падає швидше, ніж O₂; специфічність Рубіско до CO₂ знижується (K_c зростає швидше, ніж K_o); продихи закриваються, і концентрація CO₂ у листку падає. Усе це збільшує частку оксигенування.

У яких органелах відбувається фотодихання і де втрачається CO₂?

Хлоропласт (оксигенування RuBP, утворення гліколату) → пероксисома (гліколат → гліоксилат → гліцин) → мітохондрія (2 гліцин → серин + CO₂ + NH₃) → пероксисома (серин → гліцерат) → хлоропласт (гліцерат → 3-ФГК). CO₂ виділяється в мітохондрії під час декарбоксилювання гліцину.

Навіщо C₄-рослинам кранц-анатомія?

Вона просторово розділяє первинну фіксацію (ФЕП-карбоксилаза в мезофілі) і цикл Кальвіна (Рубіско в обкладці). Щільна стінка обкладки, часто з субериновою пластинкою, не випускає накачаний CO₂ назад, тому біля Рубіско його концентрація в 10–20 разів вища, ніж у повітрі, і фотодихання майже не відбувається.

Чим відрізняються підтипи НАДФ-МЕ і НАД-МЕ?

У НАДФ-МЕ (кукурудза) з мезофілу в обкладку переноситься малат, який декарбоксилюється в хлоропласті з утворенням NADPH, а назад повертається піруват; хлоропласти обкладки агранальні. У НАД-МЕ (просо, щириця) переноситься аспартат, декарбоксилювання відбувається в мітохондріях, повертається аланін.

Чому pH клітинного соку CAM-рослин уранці нижчий, ніж увечері?

Уночі фіксований CO₂ запасається у вакуолі у вигляді яблучної кислоти, і pH знижується до 3–3,5. Удень кислота виходить із вакуолі й декарбоксилюється, тому до вечора pH повертається до ≈ 6.

Чому кукурудза, сорго й щириця добре почуваються в спекотне літо, а пшениця — ні?

Це C₄-рослини: у них майже немає фотодихання, температурний оптимум 30–45 °C, вони ефективніше використовують воду й азот. У C₃-пшениці за 30 °C і вище фотодихання забирає до третини фіксованого вуглецю, а продихи доводиться прикривати.

09Література

Макрушин М. М., Макрушина Є. М., Петерсон Н. В., Мельников М. М. Фізіологія рослин : підручник. — Вінниця : Нова Книга, 2006. — 416 с.
Taiz L., Zeiger E., Møller I. M., Murphy A. Plant Physiology and Development. — 6th ed. — Sinauer, 2015. — Ch. 8: Photosynthesis: the carbon reactions.
Berg J. M., Tymoczko J. L., Stryer L. Biochemistry. — 5th ed. — W. H. Freeman, 2002. — Section 20.1: The Calvin cycle.
Farquhar G. D., von Caemmerer S., Berry J. A. A biochemical model of photosynthetic CO₂ assimilation in leaves of C₃ species // Planta. — 1980. — Vol. 149. — P. 78–90.
von Caemmerer S. Biochemical Models of Leaf Photosynthesis. — CSIRO Publishing, 2000.
Peterhansel C. et al. Photorespiration // The Arabidopsis Book. — 2010. — Vol. 8. — e0130.
Rao X., Dixon R. A. The differences between NAD-ME and NADP-ME subtypes of C₄ photosynthesis // Frontiers in Plant Science. — 2016. — Vol. 7. — 1525.
Osmond C. B. Crassulacean acid metabolism: a curiosity in context // Annual Review of Plant Physiology. — 1978. — Vol. 29. — P. 379–414.
Моргун В. В. та ін. Фотосинтез і продуктивність: основні наукові досягнення та інноваційні розробки // Фізіологія рослин і генетика. — 2021. — Т. 53, № 2.

← Лабораторні роботи ЛР 5. Пігменти хлоропластів →