ЦИТОПЛАЗМА 1 страница
ЦИТОПЛАЗМА Цитоплазма — сложная многокомпонентная пластичная дифференцированная система, включающая ряд мембранных и немембранных структур, в которой протекают основные процессы метаболизма. Она имеет щелочную реакцию среды и на 60 —90 % состоит из воды; в ней также присутствуют белки (1 — 20 %), жироподобные вещества (2 — 3 %), органические (1,5 %) и неорганические (2 — 3 %) вещества. С помощью центрифугирования цитоплазму можно разделить на две примерно равные части: органоиды (органеллы) и гиалоплазму. Гиалоплазма. В гиалоплазму погружены все органоиды клетки; через нее и с ее участием осуществляется внутриклеточный транспорт веществ и соответственно — связь между отдельными орга- неллами; в ней протекают многие важнейшие биохимические процессы, локализованы многочисленные ферменты. Гиалоплазма имеет дифференцированную сложную, но легко перестраиваю щуюси структуру, от состояния которой зависят важные процессы ли и ^деятельности. Структура гиалоплазмы изучена благодаря применению иммупофлуоресцентной микроскопии (Н.И.Якуш- к ini.i,'OOS). Они включает сложную сеть белков (цитоскелет), со- u пишут и > шщюфиламентов и микротрубочек. Цитоскелет играет 1м*нук> роль и процессах митоза, мейоза, циклоза (внутриклеточного движения цитоплазмы), в образовании клеточных стенок, транспорте воды и др. Дыхание. Важнейший физиологический процесс — дыхание, в результате которого происходит расщепление глюкозы в присутствии ферментов с освобождением энергии, — начинается в цитоплазме и заканчивается в митохондриях. Он идет в три этапа: гликолиз, цикл Кребса, электрон-транспортная цепь. Гликолиз — анаэробное (бескислородное) окисление глюкозы до пировиног- радной кислоты; протекает в цитоплазме. Цикл Кребса и элект- рон-транспортная цепь обеспечивают аэробное (кислородное) окисление пировиноградной кислоты до С02 и Н20 в митохондриях. Общее уравнение полного окисления глюкозы может быть тписано в виде обобщающей формулы: С6Н1206 + 602 -» 6С02 + 6Н20 + энергия в виде 36 мол. АТФ Энергия, запасенная в виде АТФ, используется далее для осуществления всех биохимических реакций и всех физиологических процессов в клетке. Органоиды. Органеллы цитоплазмы — пластиды, комплекс Гольджи, эндоплазматическая сеть, митохондрии, лизосомы, сфе- росомы, рибосомы и др. — выполняют специальные функции в клетке. Микрофиламенты — тонкие белковые нити (диаметр 5 — 7 нм), представляющие собой длинные цепочки глобулярного белка актина. Организация микрофиламентов зависит от связывающих белков, которые способствуют распаду образуемой микрофиламен- 1ами сети на отдельные фрагменты или ее новой сборке. Эти процессы обусловливают переход гиалоплазмы из гелеобразного состояния в жидкое и обратно, определяют изменение таких ее свойств, как вязкость и подвижность. Микротрубочки — полые цилиндрические органеллы, их диаметр составляет 20 — 25 нм, длина — несколько микрометров. С микротрубочками связаны различные перемещения органелл, движение цитоплазмы. Цитоплазма пронизана мембранами — тончайшими пленками фосфолипидного строения. Значение мембран в жизни клетки и всего организма огромно. Они отделяют внутреннюю среду от внешнем, разделяют клетку на отдельные отсеки, регулируют поступимте веществ в клетку. На поверхности мембран локализованы 1>а (личные рецепторы, в том числе рецепторы гормонов. Мембраны принимают участие во всех проявлениях жизнедеятельности, включая регуляцию активности организма и его реакцию на внешние воздействия. Мембраны образуют эндоплазматическую сеть— систему мелких канальцев и полостей (см. рис. 3). Если на мемб- imiux канальцев и полостей эндоплазматической сети находятся рибосомы или группы рибосом, то такая сеть получила название шероховатой. Это основные места синтеза белка. Если эндоплазматическая сеть лишена рибосом, то называется гладкой. На мембранах гладкой эндоплазматической сети синтезируются липиды и углеводы. Все эти продукты — белки, липиды и углеводы — транспортируются к различным органоидам клетки, где и потребляются. Мембраны органоидов связаны с мембранами эндоплазматической сети. Структурную основу мембран составляют молекулы липидов. Важнейшее свойство мембран — их полупроницаемость, т.е. одни вещества легко проходят через мембрану, другие не проходят или проходят с трудом. Эта особенность мембран дает возможность одновременного и независимого протекания различных биохимических реакций в разных местах клетки. Очень близок по своему строению к эндоплазматической сети аппарат Гольджи (диктиосомы), который представляет собой систему уплощенных цистерн, лежащих параллельно и ограниченных двойными мембранами (рис. 4). От концов цистерн отшнуро- вываются пузырьки, через которые удаляются конечные или ядовитые продукты жизнедеятельности клетки, обратно же в дикти^ осомы поступают вещества, необходимые для синтеза сложных углеводов (полисахаридов) на построение клеточной стенки. Кроме того, комплекс Гольджи участвует в формировании вакуолей.
Одно из важнейших биологических свойств цитоплазмы — циклоз (способность к движению), интенсивность которого зависит от температуры, степени освещения, снабжения кислородом и других факторов. Рибосомы — мельчайшие частицы (от 17 до 23 нм), образованные рибонуклеопротеидами и молекулами белка; лишены мембраны (см. рис. 4). Они присутствуют в цитоплазме, ядре, митохондриях, пластидах; бывают одиночными и групповыми (полисомы). Рибосомы — центры синтеза белка. Митохондрии — «энергетические станции» всех эукариотичес- ких клеток, в них локализована большая часть реакций дыхания (аэробная фаза) (рис. 5). Форма митохондрий разнообразна: от округлой и овальной до цилиндрической и даже палочковидной. Численность их — от нескольких десятков до нескольких тысяч в каждой клетке. Преобладают в секреторных тканях растений. Размеры не более 1 мкм. Митохондрии содержат около 65 % белка, около 35 % липидов, 1 % РНК, 0,5 % ДНК. Снаружи митохондрии окружены двухмембранной оболочкой, не связанной с эндоплазматической сетью цитоплазмы. Внутренняя мембрана представлена в виде пластинчатых выростов — крист, пространство между которыми заполнено бесструктурным прозрачным веществом — матриксом митохондрий, в котором присутствуют нуклеиновые кислоты и вся система синтеза белка, в том числе рибосомы. Размножаются путем деления подобно прокариотическим организмам. Основная функция митохондрий — участие в дыхании клетки с помощью ферментов. В митохондриях в результате реакции окис- пительного фосфорилированИя синтезируются богатые энергией молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), в связи с чем митохондрии называют «силовыми, или энергетическими, станциями клетки». Механизм окислительного фосфорилирования был открыт английским биохимиком П.Митчелом в 1960 г. Митохондрии способны к движению, они передвигаются к тем местам, где идет усиленное потребление энергии. Пластиды — относительно крупные (4— 10 мкм) живые растительные тельца разной формы и окраски. В клетках растущих лис- и.ев пластиды размножаются путем деления. На свету процесс деления пластид ускоряется. Особенное значение имеют красные и синие участки спектра, в которых расположены максимумы поглощения хлорофилла. При делении пластиды на внутренней мембране возникают складки, которые образуют поперечную перегородку. Реже встречается деление путем почкования. Зрелые пластиды в зависимости от содержащихся в них пигментов (красящих веществ) делятся на три группы: хлоропласты (окрашены в зеленый цвет), хромопласты (окрашены в желто- красные цвета), лейкопласты (неокрашены). Различные виды пластид могут развиваться из мелких бесцветных телец — пропла- стид. Хлоропласты широко распространены в природе и встречаются во всех зеленых органах растений (рис. 6). Форма их большей частью линзовидная, размер — 4—10 мкм, у высших растений пластид в клетках несколько десятков; у низших (водорослей) —1 — 5; они крупные, разнообразны по форме. Хлоропласт окружен двойной мембраной. Внутреннее пространство хлоропластов заполнено бесцветным содержимым — стро- мой и пронизано мембранами — ламеллами. Ламеллы, соединенные друг с другом, образуют как бы пузырьки — тилакоиды. В хло- ропластах присутствуют тилакоиды двух типов. Короткие тилакоиды собраны в пачки и расположены друг над другом, напоминая стопку монет. Это — граны, а составляющие их тилакоиды называют тилакоидами гран. Между гранами параллельно друг другу располагаются длинные тилакоиды, а составляющие их ламеллы называют тилакоидами стромы (см. рис. 6). Тилакоидные мембраны содержат большое количество белков, участвующих в фотосинтезе. У большинства водорослей гран нет, а ламеллы собраны в группы по 2 — 8 шт. Хлоропласты, не имеющие гранального строения, встречаются и у высших растений. В строме хлоропластов присутствуют нити ДНК, рибосомы, крахмальные зерна. Химический состав хлоропластов сложен. В них присутствуют белки, липиды, углеводы, РНК, ДНК, пигменты (хлорофилл и ка- ротиноиды); сосредоточены все ферменты, принимающие участие в процессе фотосинтеза; содержатся многие витамины (групп В, К, Е, D) и их производные. В хлоропластах находится 80 % всего содержащегося в листе железа, 70 % цинка, около 50 % меди. Важным свойством хлоропластов является их способность к движению. Они передвигаются не только вместе с цитоплазмой, но способны и самопроизвольно изменять свое положение в клетке. Скорость движения их составляет около 0,12 мкм/с. Чаще всего хлоропласты скапливаются около ядра и вблизи клеточных стенок. Большое значение для расположения хлоропластов в клетке имеют направление и интенсивность освещения. При малой интенсивности освещения хлоропласты становятся перпендикулярно к падающим лучам, чем обеспечивается лучшее улавливание света. При высокой освещенности они передвигаются к боковым стенкам и поворачиваются ребром к падающим лучам. В зависимости от освещения может также меняться и форма хлоропластов, например, при более сильной освещенности становятся более сферическими (Н.И.Якушкина, li. Ю. Бахтенко, 2005). Основная функция хлоропластов — фотосинтез, а также синтез АТФ и АДФ, синтез и гидролиз липидов, ассимиляционного крахмала и белков, откладывающихся в строме. Хромопласты (рис. 7) встречаются в корнеплодах моркови, плодах многих растений (облепиха, шиповник, рябина и др.), в зеленых листьях шпината, крапивы, в цветках (розы, гладиолусы, календула). По-видимому, хромопласты — это результат деградации хлоропластов, при которой ламеллярная структура частично разрушается (Н. И.Якушкина, Е. Ю. Бахтенко, 2005). Одновременно образуются осмиофильные глобулы, располагающиеся сплошным слоем под оболочкой пластид и содержащие пигменты каротино- иды: оранжево-красный каротин и желтый ксантофилл. Лейкопласты — бесцветные пластиды, чаще всего локализованы в клетках запасающих тканей. Характеризуются слабо развитой чамеллярной структурой. Часто в лейкопластах ламеллы сохраняют связь с внутренней оболочкой. В строме лейкопластов распола- I аются крахмальные зерна (рис. 8), осмиофильные глобулы, бел- I оные включения. На свету могут превращаться в хлоропласты (например, при позеленении клубней картофеля). Пигменты. Соединения, поглощающие видимый свет, — пигменты — непосредственно участвуют в процессе фотосинтеза, это фоторецепторы. Различные пигменты поглощают свет определенной длины волны, а непоглощенный свет отражают, что и обусловливает их окраску. Так, зеленый пигмент хлорофилл поглощает красные и синие лучи, а зеленые отражает. Пигменты, сконцентрированные в пластидах, — хлорофил- лы, каротиноиды, фикобилины. Хлорофиллы — зеленые пигменты. Существует несколько их разновидностей, различающихся молекулярной структурой и спектрами поглощения. Высшие растения содержат хлорофиллы а и Ь, хлорофилл с обнаружен в диатомовых водорослях, хлорофилл d — в красных водорослях. В клетках фотосинтезирующих бактерий обнаружены четыре бактерио- хлорофилла {а, Ь, с, d): в клетках зеленых бактерий — с и d, в клетках пурпурных бактерий — а и Ь. Основным пигментом фотосинтеза у зеленых растений является хлорофилл а, у бактерий — бакте- риохлорофиллы. Содержание хлорофилла а в зеленых растениях в три раза больше, чем хлорофилла Ь. Исследования показали, что первым в процессе зеленения растения появляется хлорофилл а. Образование хлорофилла зависит от температуры (оптимальная температура для накопления хлорофилла 26 — 30 °С), содержания воды (сильное обезвоживание приводит к прекращению фотосинтеза), потребности растения в углеводах, условий минерального питания, деятельности корневой системы. Установлено, что максимальное накопление хлорофилла у растений в течение вегетационного периода приурочено к началу цветения. Основные функции хлорофилла — поглощение и передача энергии. Более 90 % хлорофилла хлоропластов входит в состав свето- собирающего комплекса (ССК), который выполняет роль антенны, эффективно поглощая свет и перенося энергию возбуждения к реакционному центру. Каротиноиды — это желтые и оранжевые пигменты, они содержатся во всех высших растениях и во многих микроорганизмах. Каротиноиды, содержащие кислород, получили название ксантофиллы. Основными представителями каротиноидов у высших растений являются p-каротин (оранжевый) и ксантофилл (желтый). Эти пигменты встречаются в корнеплодах, плодах многих растений (облепиха, шиповник, рябина и др.), в лепестках цветов (розы, гладиолусы, календула и др.). Каротиноиды также принимают участие в процессе фотосинтеза. Поглощая свет определенных длин волн, они передают энергию этих лучей на молекулы хлорофилла. Имеются данные, что каротиноиды выполняют защитную функцию, предохраняя различные органические вещества, в первую очередь молекулы хлорофилла, от разрушения на свету в процессе фотоокисления. Для человека и животных каротиноиды, поглощаемые с пищей, служат источником витамина А. Фикобилины — красные и синие пигменты, характерные для цианобактерий и красных водорослей. Фикобилины представлены тремя пигментами: фикоцианином, фикоэритрином и аллофико- цианином. Фикоэритрин — это окисленный фикоцианин. Фикоэ- ритрин содержат красные водоросли, а фикоцианин — цианобак- терии. Фикобилины поглощают лучи в зеленой и желтой частях солнечного спектра и, подобно каротиноидам, передают энергию на молекулу хлорофилла, участвуя таким образом в процессе фотосинтеза. Фотосинтез. В процессе фотосинтеза энергия солнечного света превращается в химическую энергию. В общем виде этот процесс можно представить так: квант света поглощается хлорофиллом, молекула которого переходит в возбужденное состояние, при этом •лектрон переходит на более высокий энергетический уровень; в клетках зеленых растений в процессе эволюции выработался механизм, при котором энергия электрона, возвращающегося на основной энергетический уровень, превращается в химическую жсргию. Таким образом с помощью зеленых растений энергия Солнца может накапливаться в виде химических связей. По способу питания все зеленые растения относятся к авто- трофным организмам, которые характеризуются способностью синтезировать органическое вещество из неорганических соединений (С02 и Н20). Общее уравнение фотосинтеза: 6С02+ 12 Н20 С6Н|206 + 602 + 6Н20 В процессе фотосинтеза из простых неорганических соединении — углекислого газа и воды — строятся различные органиче- • кие вещества; происходит перестройка химических связей: вмес- ю связей С —О и Н —О возникают связи С —С и С —Н, в которых электроны занимают более высокий энергетический уровень. Нее органические вещества, которыми питаются животные, в том числе и человек, первоначально создаются в зеленом листе, т.е. практически вся живая материя на нашей планете является резинатом фотосинтеза. Почти весь кислород атмосферы также фо- нн ин гетического происхождения, а, следовательно, процессы дыхания и горения стали возможны только после того, как возник фотосинтез. Поэтому русский ученый К.А.Тимирязев придавал зеленым растениям космическое значение. Ежегодно в результате фотосинтеза на планете образуется 150 млрд т органического вещества (первичная продукция) и выделяется около 200 млн т свободного кислорода. Круговороты углерода, кислорода и других химических элементов, вовлекаемых в фотосинтез, поддерживают современный состав атмосферы Земли. Фотосинтез способствует предотвращению парникового эффекта на нашей планете. Он представляет собой главное звено биогеохимических циклов на Земле и основу всех цепей питания; его продукты — основной источник энергии для человечества. Фотосинтез протекает в различных органах растений (молодые побеги, плоды и др.), имеющих зеленую окраску, однако основным органом фотосинтеза является лист (см. подразд. «Лист»). Процесс фотосинтеза открыт английским ученым Дж. Пристли в 1771 г. Ученый обратил внимание на изменение состава воздуха вследствие жизнедеятельности животных. В присутствии зеленых растений воздух вновь становился пригодным для дыхания и горения. Затем работами ряда ученых (Я. Ингенхауз, Ж.Сене- бье, Н.Т. Соссюр, Ж. Б. Буссенго) было установлено, что зеленые растения из воздуха поглощают С02, из которого при участии воды на свету образуется органическое вещество. Немецкий ученый В. Пфеффер в 1877 г. назвал этот процесс фотосинтезом. Ю. Р. Майер на основании сформулированного им в 1842 г. закона сохранения энергии выдвинул предположение, что растения в процессе фотосинтеза аккумулируют энергию Солнца, превращая ее в химическую. Это положение было развито и экспериментально подтверждено исследованиями К. А. Тимирязева. Фотосинтез — сложный многоступенчатый окислительно-вос- становительный процесс, в котором происходит восстановление углекислого газа до углеводов и окисление воды до кислорода. Он включает в себя световые и темновые реакции и подразделяется на три этапа: 1) фотофизический; 2) фотохимический (световой); 3) ферментативный (темновой). Фотофизический этап фотосинтеза заключается в поглощении молекулой хлорофилла кванта света, сопровождающемся ее переходом в возбужденное состояние. Фотохимический этап включает реакции, в которых энергия света преобразуется в энергию химических связей, и в первую очередь в энергию фосфорных связей АТФ, обеспечивающую течение всех процессов. Одновременно под действием света происходит разложение воды, образуется восстановленный НАДФ и выделяется кислород. Энергия поглощенных квантов света стекается от сотен молекул пигментов светособирающего комплекса (ССК) к фотохимическому реакционному центру, содержащему особую пару моле-
кул хлорофилла а, которые характеризуются поглощением в наиболее длинноволновой части спектра и выполняют роль ловушки энергии возбуждения, блуждающего по пигментам ССК. Наряду с димером хлорофилла в фотохимический комплекс входят молекулы первичного и вторичного акцепторов электрона. Молекула хлорофилла, отдавая электрон первому акцептору, окисляется: Хл Хл+ + ё Электрон поступает в электрон-транспортную цепь (Н. И.Якуш- кина, Е. Ю. Бахтенко, 2005) и передается переносчиками на наружную, т. е. обращенную к матриксу, поверхность мембраны ти- лакоидов, где электроны накапливаются. Одновременно внутри полостей тилакоидов происходит фотоокисление воды под действием энергии света и фермента: 2Н20 4Н+ + 4ё + 02Т Образующиеся электроны передаются к молекуле хлорофилла. Протоны, образовавшиеся при фотоокислении воды, не могут проникнуть через мембрану граны и накапливаются внутри нее, создавая и пополняя протонный резервуар. В результате внутренняя поверхность мембраны фаны заряжается положительно (за счет Н+), а наружная отрицательно (за счет ё). По мере накопления протонов и электронов по разные стороны мембраны нарастает разность потенциалов. При достижении критической величины разности потенциалов сила электрического поля начинает проталкивать протоны через канал АТФ-синтетазы. Освобождающаяся при этом энергия используется на фотофосфорилирование молекул АДФ, имеющихся в матриксе пластид: АДФ + Ф АТФ Ионы водорода, оказавшись на наружной поверхности мембраны тилакоидов, принимают там электроны, образуя атомарный водород, который идет на восстановление специфического переносчика водорода и электронов НАДФ+. Реакция происходит иод действием ферментов и приводит к образованию еще одного (нергетического соединения — НАДФ- Н. Таким образом, образование свободного кислорода, фотоокисление воды, синтез АТФ и образование НАДФ - Н происходят на с нету на фотофизическом и фотохимическом этапах фотосинтеза. Кислород улетучивается в атмосферу, а АТФ и НАДФ - Н транспортируются в строму пластид и затем участвуют в биохимических реакциях темновой фазы фотосинтеза, в результате которых происходит усвоение растениями углекислого газа атмосферы (С'02) и образование углеводов. Ферменты, участвующие в темно- ных реакциях, растворены в строме. Сущность темновых реакций |>ыла раскрыта американским ученым М. Кальвином, за что ему в 1961 г. была присуждена Нобелевская премия. Совокупность описанных им реакций была названа циклом Кальвина. Первая фаза цикла Кальвина — карбоксилирование пятиугле- родного соединения рибулозо-1,5-бисфосфата, т.е. присоединение к нему С02 с образованием нестабильного шестиуглеродного соединения, которое распадается на две молекулы 3-фосфогли- цериновой кислоты (3-ФГК). Реакция катализируется специфическим для процесса фотосинтеза ферментом — рибулозобисфос- фаткарбоксилазой (РБФК), который содержится в зеленых частях растений. В активное состояние этот фермент переходит при освещении хлоропластов. Вторая фаза — восстановление ФГК до глицеральдегид-3-фос- фата (фосфоглицеральдегид, ФГА) — требует участия продуктов световой фазы фотосинтеза: АТФ и НАДФ ■ Н. Этот процесс протекает в два этапа. На первом этапе происходит фосфорилирова- ние 3-ФГК при участии АТФ — дополнительного источника энергии. Реакция катализируется ферментом 3-фосфоглицераткина- зой и приводит к образованию 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты. На втором этапе 1,3-бисфосфоглицериновая кислота под действием глицеральдегид-1,3-фосфатдегидрогеназы восстанавливается НАДФ • Н (у растений и цианобактерий; у пурпурных и зеленых бактерий — НАД - Н) параллельно с отщеплением одного остатка фосфорной кислоты. Образуется глицеральдегид-3-фос- фат (фосфоглицеральдегид, ФГА). Обе реакции обратимы. По уровню восстановленности образовавшийся ФГА является углеводом. Третья фаза — регенерация и образование продуктов фотосинтеза. Из шести молекул ФГА пять используются на регенерацию трех молекул РБФ, которые возвращаются в цикл и снова вступают в реакцию карбоксилирования, а шестая молекула вступает в фазу «синтеза продуктов», где превращается в более сложные соединения (углеводы, аминокислоты и др.). Итак, основным продуктом фотосинтеза являются сахара. Накапливаясь, со временем они превращаются в крахмал и запасаются в растениях, идут на синтез других органических соединений: аминокислот, глицерина, жирных кислот и др. Путь ассимиляции углерода при фотосинтезе, описанный Кальвином, — общий для всех фототрофных организмов. Однако существуют разные пути передачи С02 в цикл Кальвина (цикл Хет- ча — Слэка, САМ-пугь фотосинтеза). Особенности первичной фиксации углекислого газа по САМ-пути присущи суккулентам: кактусам и растениям из семейства Толстянковые (Crassulaceae), в честь которых назван данный тип фотосинтеза (от англ. Crassulaceae acid metabolism, САМ — метаболизм по типу толстянковых). САМ- фотосинтез позволяет растениям максимально экономить воду и поддерживать процесс фотосинтеза в условиях острого водного дефицита.
Интенсивность фотосинтеза зависит от внешних факторов: света, температуры, концентрации С02 в атмосфере, снабжения водой, минерального питания и др. Все внешние факторы взаимосвязаны. Например, при низкой освещенности фотосинтез от температуры не зависит и идет с одинаковой скоростью при 15° и 25 °С, поскольку его интенсивность лимитируется скоростью световых реакций. Напротив, при высокой освещенности скорость фотосинтеза определяется протеканием темновых реакций. При высокой освещенности повышение температуры сильно увеличивает интенсивность фотосинтеза. Понижение температуры приводит к уменьшению активности ферментов, участвующих в темно- ных реакциях, а начиная с определенного уровня (различного для разных климатических зон) — к повреждению органелл клетки. Минимальная температура, при которой еще возможен фотосин- 1сз, для растений средней полосы России составляет около О °С, для тропических растений 5—10 °С; у лишайников фотосинтез идет даже при температуре -25 "С. Оптимальная температура фо- юсинтеза для растений средней полосы России 20—25 °С. Источником углерода для процесса фотосинтеза служит углекислый газ атмосферы. В атмосфере С02 содержится 0,03 %. Есть растения более или менее чувствительные к концентрации углекислого газа. Ее повышение вызывает у некоторых растений закрытие устьиц, сказываясь особенно неблагоприятно при высокой освещенности. Однако у зерновых культур повышение концентрации С02 до 1,5 % (в лабораторных условиях) вызывает прямо пропорциональное возрастание интенсивности фотосинтеза (II. И.Якушкина, Е. Ю. Бахтенко, 2005). Вода — непосредственный участник фотосинтеза. Однако количество воды, используемой в реакциях фотосинтеза, ничтожно мало по сравнению с тем, которое необходимо для поддержания клетки в тургорном состоянии. Установлено, что при полной насыщенности клеток листа водой интенсивность фотосинтеза снижается, а небольшое обезвоживание клеток приводит к ее повышению. Исключение любого элемента минерального питания сказыва- г гея на интенсивности фотосинтеза. Некоторые элементы играют важную специфическую роль. Например, для фотосинтеза очень велико значение фосфора, энергия света аккумулируется в фосфорных связях. При дефиците фосфора нарушаются фотохимические и темновые реакции фотосинтеза. Магний входит в состав чнорофилла. При недостатке калия интенсивность фотосинтеза иыегро снижается; калий активизирует процессы фосфорилиро- внния. Марганец участвует в реакциях фотоокисления воды; его ошутствие сказывается на процессах фосфорилирования. Хлор hi очодим для фоторазложения воды. Для синтеза белков, в том чи< 1С ферментов, участвующих в фотосинтезе, важно азотное питание; внесение азотных удобрений повышает интенсивность фотосинтеза. Соединения — переносчики электронов содержат железо (цитохромы, ферредоксин) или медь (пластоцианин), при недостатке которых также снижается интенсивность фотосинтеза. Оказывают влияние на процесс фотосинтеза и внутренние факторы. Отток асимилятов нормализует процесс фотосинтеза, их накопление — тормозит. Например, накопление крахмала инги- бирует активность РБФК; накопление глюкозы ингибирует синтез белков хлоропластов, как структурных, так и ферментативных, на уровне транскрипции РНК на хлоропластной ДНК. Интенсивность фотосинтеза возрастает с увеличением содержания хлорофилла. Она зависит от возраста листа, достигая максимума в почти сформировавшихся листьях и снижаясь в стареющих. Установлено, что увеличение ширины устьичных щелей повышает интенсивность фотосинтеза; при полном их закрытии он происходит в очень слабой степени.
|