Фотодыхание

Определение и общая характеристика

Фотодыхание (также фотореспирация, от др.-греч. φῶς — свет и лат. respiratio — дыхание) — это светозависимый процесс поглощения кислорода и выделения углекислого газа в растениях, сопровождающийся окислением рибулозо-1,5-бисфосфата (RuBP) с образованием 3-фосфоглицерата и 2-фосфогликолята. В отличие от темнового дыхания, фотодыхание не сопряжено с синтезом АТФ и не является энергопродуцирующим процессом; оно представляет собой побочный путь метаболизма, возникающий вследствие неабсолютной специфичности фермента рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы/оксигеназы (RuBisCO).

Впервые фотодыхание было описано в 1950-х годах независимо несколькими исследовательскими группами: Дж. П. Деккером (J. P. Decker) и Х. А. Таннером (H. A. Tanner) в США, а также советским физиологом растений А. Л. Курсановым. Термин «фотодыхание» предложен в 1955 году О. Бьеркманом (O. Björkman) для обозначения процесса, отличного от обычного дыхания и ингибируемого кислородом.

Биохимические основы фотодыхания

Каталитический механизм RuBisCO

Фермент RuBisCO (КФ 4.1.1.39) обладает двойной каталитической активностью:

1. Карбоксилазная реакция: RuBP + CO₂ → 2 × 3-фосфоглицерат (3-ФГК)
2. Оксигеназная реакция: RuBP + O₂ → 3-фосфоглицерат + 2-фосфогликолят

Соотношение скоростей карбоксилирования и оксигенирования (Vc/Vo) определяется:

• Концентрацией CO₂ и O₂ в месте локализации фермента;
• Температурой (с ростом температуры растворимость CO₂ падает быстрее, чем O₂, что смещает равновесие в сторону оксигеназной реакции);
• Значением pH (оптимум для карбоксилазной активности — pH 8,0–8,5, для оксигеназной — pH 7,5–8,0);
• Посттрансляционной модификацией фермента (карбамилирование остатка лизина-201 у высших растений).

При стандартных атмосферных условиях (25 °C, 21% O₂, 0,04% CO₂) соотношение Vc/Vo составляет примерно 3:1–4:1. Это означает, что примерно каждое четвёртое–пятое обращение фермента приводит к оксигеназной реакции.

Метаболический путь фотодыхания (C₂-цикл)

Фотодыхание представляет собой сложный мультикомпартментный процесс, включающий последовательные превращения в трёх субклеточных структурах: хлоропластах, пероксисомах и митохондриях.

Этап 1 — Хлоропласт:

• Оксигеназная реакция RuBisCO даёт 2-фосфогликолят (C₂-соединение);
• Фосфатаза 2-фосфогликолята (PGLP) дефосфорилирует его до гликолята;
• Гликолят транспортируется в пероксисому через мембрану хлоропласта.

Этап 2 — Пероксисома:

• Оксидаза гликолята (GOX) окисляет гликолят до глиоксилата с потреблением O₂ и образованием H₂O₂;
• Каталаза разлагает H₂O₂ на воду и молекулярный кислород;
• Глутамат:глиоксилат-аминотрансфераза (GGAT) превращает глиоксилат в глицин с участием глутамата;
• Глицин транспортируется в митохондрию.

Этап 3 — Митохондрия:

• Глициндекарбоксилазный комплекс (GDC) и серингидроксиметилтрансфераза (SHMT) катализируют конденсацию двух молекул глицина с образованием одной молекулы серина, NH₃ и CO₂;
• Это единственная реакция в цикле, где выделяется CO₂;
• Серин возвращается в пероксисому.

Этап 4 — Пероксисома (повторно):

• Серин:глиоксилат-аминотрансфераза (SGAT) превращает серин в гидроксипируват;
• НАДН-зависимая гидроксипируватредуктаза восстанавливает гидроксипируват до глицерата;
• Глицерат транспортируется в хлоропласт.

Этап 5 — Хлоропласт (повторно):

• Глицераткиназа фосфорилирует глицерат до 3-фосфоглицерата;
• 3-ФГК включается в цикл Кальвина и далее восстанавливается до триозофосфатов.

Суммарное уравнение фотодыхания:

2 RuBP + 2 O₂ + 3 CO₂(фиксируемых в цикле Кальвина) → 3 PGA + CO₂ + NH₃ + H₂O₂

В пересчёте на углеродный баланс: из каждых 4 атомов углерода, вошедших в цикл в виде 2 молекул RuBP, один теряется в виде CO₂, а три возвращаются в цикл Кальвина. Таким образом, эффективность фиксации углерода снижается на 25% по сравнению с чистой карбоксилазной активностью.

Энергетические и стехиометрические характеристики

Фотодыхание требует затрат энергии и восстановительных эквивалентов:

• АТФ: 1 молекула на молекулу глицерата (фосфорилирование);
• НАДН: 1 молекула на молекулу гидроксипирувата (восстановление);
• НАДФН: используется в цикле Кальвина для восстановления 3-ФГК.

В пересчёте на одну молекулу RuBP, подвергшуюся оксигенации, суммарные затраты составляют 3,5 АТФ и 2 НАДФН (с учётом регенерации RuBP). Для сравнения, чистое карбоксилирование одной молекулы RuBP требует 3 АТФ и 2 НАДФН. Разница невелика, однако главные потери связаны с потерей CO₂ и NH₃, а также с необходимостью их повторной фиксации.

Регуляция фотодыхания

Метаболическая регуляция

1. Концентрация CO₂: повышение концентрации CO₂ в строме хлоропласта конкурентно ингибирует оксигеназную реакцию (Km(O₂) ≈ 450–650 мкМ, Km(CO₂) ≈ 10–30 мкМ).
2. Концентрация O₂: увеличение парциального давления O₂ стимулирует оксигеназную реакцию.
3. Соотношение [CO₂]/[O₂]: решающий фактор, определяемый активностью карбоангидразы и скоростью диффузии газов.
4. Свет: фотодыхание протекает только на свету, поскольку субстрат (RuBP) образуется в световой фазе фотосинтеза.
5. Температура: повышение температуры увеличивает соотношение Vc/Vo в пользу оксигенации (из-за различной растворимости газов и изменения конформации активного центра).

Генетическая регуляция

Экспрессия генов, кодирующих ферменты фотодыхания (GDC, SHMT, GOX, PGLP), регулируется:

• Светом через фитохромную и криптохромную системы;
• Уровнем сахаров (глюкозо-репрессия);
• Статусом азотного питания;
• Циркадными ритмами (пик экспрессии GDC приходится на световой период).

Физиологические функции фотодыхания

Долгое время фотодыхание рассматривалось исключительно как «метаболическая ошибка» эволюции. Однако современные исследования показывают его многофункциональность:

1. Защита от фотоингибирования

Фотодыхание служит важным механизмом диссипации избыточной энергии света. В условиях насыщения светом, когда восстановительный потенциал электронтранспортной цепи хлоропластов превышает потребности цикла Кальвина, фотодыхание:

• Потребляет НАДФН и АТФ;
• Поддерживает трансмембранный градиент протонов;
• Предотвращает перевосстановление пула пластохинонов;
• Снижает продукцию активных форм кислорода (АФК).

2. Метаболизм азота

В процессе фотодыхания выделяется аммиак (NH₃), который немедленно рефиксируется в цикле глутаминсинтетаза/глутаматсинтаза (GS-GOGAT). Это обеспечивает:

• Быстрый оборот азота в клетке;
• Координацию углеродного и азотного метаболизма;
• Синтез аминокислот (глицина, серина) — предшественников многих вторичных метаболитов.

3. Синтез серина и глицина

Фотодыхание является основным путём биосинтеза серина у C₃-растений. Серин, в свою очередь, используется для синтеза:

• Фосфолипидов;
• Цистеина и метионина;
• Триптофана и других индольных соединений.

4. Сигнальная функция

Промежуточные продукты фотодыхания (глиоксилат, гликолят) участвуют в регуляции:

• Экспрессии генов стрессового ответа;
• Активности протеинкиназ;
• Гормонального баланса (связь с синтезом АБК).

5. Устойчивость к стрессам

Растения с нарушениями фотодыхания (мутанты по GDC, SHMT) крайне чувствительны к высокому свету, засухе, засолению и низким температурам. Фотодыхание обеспечивает:

• Поддержание окислительно-восстановительного гомеостаза;
• Быструю утилизацию гликолята, накопление которого токсично;
• Устойчивость хлоропластов к фотоповреждению.

Эволюционные аспекты

Возникновение фотодыхания

Фотодыхание возникло вскоре после появления оксигенного фотосинтеза (около 2,5–3 млрд лет назад), когда концентрация O₂ в атмосфере начала расти. RuBisCO, эволюционировавшая в восстановительной атмосфере, сохранила сродство к O₂, что привело к необходимости развития механизмов утилизации токсичного 2-фосфогликолята.

Адаптации к снижению фотодыхания

В ходе эволюции у растений выработались механизмы, снижающие потери от фотодыхания:

1. C₄-фотосинтез (около 60 независимых эволюционных событий): пространственное разделение фиксации CO₂ (в клетках мезофилла) и цикла Кальвина (в обкладочных клетках). Концентрация CO₂ в обкладочных клетках достигает 1000–2000 мкМ, что подавляет оксигеназную реакцию.

2. CAM-метаболизм (толстянковые): временное разделение процессов — ночью CO₂ фиксируется в форме малата, днём происходит его декарбоксилирование с созданием высокой концентрации CO₂.

3. C₂-фотосинтез (промежуточный тип): частичное концентрирование CO₂ за счёт фотодыхательного CO₂, повторно фиксируемого в хлоропластах обкладочных клеток.

4. Пиренойды (водоросли, мхи): белковые тельца в хлоропластах, концентрирующие RuBisCO и карбоангидразу, что повышает локальную концентрацию CO₂.

Коэволюция с атмосферой

Современные C₃-растения потеряли бы до 30–50% фиксированного углерода при атмосферных условиях, если бы не фотодыхание, которое частично рециклирует углерод. Однако в условиях повышенной концентрации CO₂ (например, в теплицах с обогащением CO₂ до 1000 ppm) фотодыхание практически полностью подавляется, что приводит к увеличению продуктивности на 30–50%.

Фотодыхание у разных групп организмов

Высшие растения

• C₃-растения: фотодыхание максимально выражено (потери 25–30% фиксированного CO₂).
• C₄-растения: фотодыхание сведено к минимуму (<5% потерь).
• CAM-растения: фотодыхание незначительно в световой период из-за высоких концентраций CO₂.

Водоросли

У большинства водорослей фотодыхание подавлено благодаря наличию пиреноидов и активных механизмов концентрирования CO₂ (CCM). Однако при высоком pH и низком содержании CO₂ фотодыхание может активироваться.

Цианобактерии

Обладают карбоксисомами — микрокомпартментами, содержащими RuBisCO и карбоангидразу, что обеспечивает эффективное концентрирование CO₂ и практически полное отсутствие фотодыхания.

Бесхлорофилльные организмы

Гетеротрофные организмы не имеют фотодыхания, однако гомологичные ферменты (глиоксилатный цикл) у них выполняют анаплеротические функции.

Методы исследования фотодыхания

Газообменные измерения

• Инфракрасная газометрия: измерение CO₂-газообмена на свету в атмосфере с разным содержанием O₂ (метод 2% O₂);
• Масс-спектрометрия с изотопной меткой ¹³CO₂ и ¹⁸O₂;
• Метод пост-иллюминационной вспышки CO₂ (постсветовая вспышка).

Биохимические методы

• Определение активности RuBisCO (карбоксилазная/оксигеназная);
• Измерение концентрации гликолята, глиоксилата, серина;
• Анализ активности ферментов фотодыхания (GDC, SHMT, GOX);
• Использование специфических ингибиторов (например, ингибитор GDC — аминооксиацетат).

Молекулярно-генетические методы

• Получение мутантов с нокаутом генов фотодыхания;
• Анализ экспрессии генов (qPCR, RNA-seq);
• Трансформация растений генами, кодирующими альтернативные пути (например, экспрессия гликолятдегидрогеназы из бактерий).

Флуоресцентные методы

• Анализ индукции флуоресценции хлорофилла (JIP-тест);
• Измерение редокс-состояния пула пластохинонов;
• Флуоресцентная микроскопия с использованием зондов на H₂O₂.

Фотодыхание и продуктивность растений

Влияние на урожайность

Потери от фотодыхания составляют 20–50% потенциальной продуктивности C₃-растений. Основные культуры (пшеница, рис, соя, картофель) являются C₃-растениями, поэтому фотодыхание — главный резерв повышения их урожайности.

Стратегии снижения фотодыхания

1. Селекция на низкое фотодыхание: поиск естественных вариантов RuBisCO с более высоким соотношением Vc/Vo;
2. Инженерия RuBisCO: точечные мутации активного центра (например, замена остатков в области специфичности);
3. Введение альтернативных путей: экспрессия бактериальных ферментов, позволяющих превращать гликолят непосредственно в 3-ФГК без потери CO₂ (проекты RIPE, C4 Rice);
4. Концентрирование CO₂: создание искусственных карбоксисом или пиреноидов в хлоропластах C₃-растений;
5. Подавление экспрессии GOX: снижение активности оксидазы гликолята с целью уменьшения продукции H₂O₂.

Трансгенные подходы

Наиболее перспективным считается введение в хлоропласты C₃-растений трёх бактериальных ферментов:

• Гликолятдекарбоксилазы (из E. coli);
• Тартронатсемиальдегидредуктазы;
• Малатсинтазы.

Этот путь позволяет превращать гликолят в малат, который затем включается в цикл Кальвина без выделения CO₂ и NH₃. Лабораторные испытания на табаке показали увеличение биомассы на 15–25% при нормальных условиях выращивания.

Фотодыхание в условиях глобальных изменений климата

Повышение концентрации CO₂

Рост атмосферного CO₂ (с 280 ppm в доиндустриальный период до текущих ~420 ppm) приводит к:

• Снижению интенсивности фотодыхания (конкурентное ингибирование оксигеназной реакции);
• Повышению эффективности фотосинтеза C₃-растений;
• Увеличению соотношения C/N в растительных тканях.

Повышение температуры

Одновременное повышение температуры будет частично компенсировать положительный эффект CO₂, так как при высокой температуре соотношение Vc/Vo смещается в сторону оксигенации.

Засуха и водный стресс

В условиях засухи устьица закрываются, концентрация CO₂ в листе падает, что усиливает фотодыхание. Это создаёт дополнительный стресс, однако фотодыхание также помогает растению пережить засуху за счёт диссипации избыточной энергии.

Патологии, связанные с фотодыханием

Мутанты с нарушенным фотодыханием

Описаны мутанты Arabidopsis thaliana, Hordeum vulgare и других видов с дефектами по:

• GDC (мутанты sat, dct);
• SHMT (мутанты shm);
• GOX (мутанты gox);
• PGLP (мутанты pglp).

Фенотипические проявления: карликовость, хлоротичность, некрозы листьев, гибель в атмосферных условиях. Растения жизнеспособны только при повышенной концентрации CO₂ (0,3–1%), когда фотодыхание подавлено.

Накопление гликолята

Токсичность гликолята связана с:

• Ингибированием триозофосфатизомеразы;
• Разобщением фотофосфорилирования;
• Индукцией программируемой гибели клеток.

Сравнительная таблица фотодыхания и темнового дыхания

Перспективы исследований

Фундаментальные вопросы

• Механизмы регуляции соотношения карбоксилазной/оксигеназной активности RuBisCO;
• Роль фотодыхания в передаче сигналов при стрессе;
• Взаимодействие фотодыхания с другими метаболическими путями (пентозофосфатный, глиоксилатный циклы);
• Эволюционная история фотодыхания и его адаптивная значимость.

Прикладные задачи

• Создание C₃-растений с подавленным фотодыханием;
• Оптимизация условий выращивания (обогащение CO₂);
• Разработка биостимуляторов, снижающих фотодыхание;
• Использование фотодыхания как мишени для гербицидов нового поколения.

Заключение

Фотодыхание представляет собой уникальный метаболический процесс, возникший как неизбежное следствие двойной каталитической активности RuBisCO и ставший важным адаптивным механизмом. Несмотря на кажущуюся «расточительность» (потери углерода, азота и энергии), фотодыхание выполняет критические функции защиты фотосинтетического аппарата, поддержания метаболического гомеостаза и синтеза ключевых аминокислот. Современные биотехнологические подходы, направленные на снижение потерь от фотодыхания, открывают перспективы значительного повышения продуктивности основных сельскохозяйственных культур, что особенно актуально в условиях растущего населения планеты и изменяющегося климата.