Компоненты ЭТЦ фотосинтеза разнообразны и сложны, каждый из них выполняет специфическую роль в восприятии световой энергии и поддержании необходимого окислительно-восстановительного потенциала в хлоропластах (В. В. Полевой, 1992; А. Т. Мокроносов, В. Ф. Гавриленко, 1992).
Эволюция отдельных компонентов ЭТЦ фотосинтеза и пути их сопряжения остаются слабо изученными. Однако вопрос о первичности ЭТЦ фотосинтеза по сравнению с таковой дыхания многими решается положительно. В то же время усматривают общность происхождения ЭТЦ фотосинтеза и дыхания, исходя из следующих соображений:
- использование у некоторых существ одной и той же ЭТЦ в обоих процессах (Rhodopseudomonas spheroides);
- сходство строения переносчика водорода при фотосинтезе (пластохинон) и дыхании (убихинон), а также хлорофилла и цитохромов;
- совпадение ферментов митохондрий и хлоропластов, участвующих в переносе протонов через мембрану, и синтеза АТФ (отличие состоит в противоположной их ориентации на поверхности мембран, что приводит к изменению направления протонного градиента в хлоропластах и митохондриях;
- перенос электронов в хлоропластах и митохондриях с участием железосодержащих (цитохромы) и медьсодержащих (пластоционин и цитохромоксидаза) белков;
- вхождение в ЭТЦ указанных органелл флавиновых белков и хинонов.
В связи с указанными наблюдениями делается вывод о гомологичности ЭТЦ названных органелл и единстве происхождения основных биоэнергетических процессов в ходе эволюции (А. А. Мутускин, П. А Колесников, 1985). На примере развития ЭТЦ фотосинтеза и дыхания мы еще раз убеждается в том, что «природа щедра на разнообразие, но крайне скупа на нововведение» (Ч. Дарвин, 1939).
Для эволюции фотосинтеза чрезвычайно большое значение имело развитие и усовершенствование механизма карбоксилирования и его ключевого фермента РБФК (А К. Романова, 1991). Как известно, в основе фотосинтеза лежит ВПФ-цикл, состоящий из четырех этапов; карбоксилирование и регенерация акцептора CO2 (РБФ), восстановление ФГК до триозофосфата и автокатализ. Темновое фиксирование CO2 является наиболее древним процессом, присущим и гетеротрофным, и фототрофным существам. Даже у высших фототрофных существ имеет место сочетание процессов темнового и светового карбоксилирования. В ходе эволюции растений Эффективность карбоксилирования была повышена благодаря возникновению механизмов постепенной регенерации акцептора CO2 (5 из 6 молекул триозофосфатов — ФГА и ДГАФ — идут на регенерацию РБФ, а 1 молекула — только на образование органического продукта), автокатализа субстрата и поиска возможностей для компенсирования низкого содержания CO2 в среде с повышением сродства фермента к ней (оно выражается величиной 10 мкМ CO2). Заметим, что концентрация РБФ составляет около 0,6—0,75 нмоль на 1 мг хлорофилла.
В фотосинтезе есть энергетически невыгодные реакции, связанные с образованием ЩУК из ПВК и CO2, а также ФЕП из ПВК, Ри и АТФ. Поэтому эволюционно важным становится не высокое содержание РБФ, а повышение потенциальной активности основного фермента карбоксилирования — РБФК — и его локализация. У большинства микроводорослей, содержащих пиреноид, РБФК локализована в пиреноиде, а у многоклеточных водорослей и высших растений — в строме хлоропласта. Для усиления фотосинтетического сродства к CO2 у микроводорослей необходима полностью сформированная система концентрации CO2, которая включает не только механизмы активного транспорта и накопления неорганического углерода, но и условия для использования внутреннего его пула (Н. А. Пронина, В. Е. Семененко, 1992).
У высших растений высокая активность РБФК эволюционно фиксируется для обеспечения фотосинтетической продуктивности в условиях падения концентрации CO2 и повышения содержания O2 в атмосфере. Кроме того, складываются механизмы регуляции активности РБФК. Указанный фермент использует CO2 (Kт=5-15 мкМ), а ФЕПК—бикарбонат (Kт=0,34-0,4 мкМ). Сродство указанных ферментов к CO2 меняется в зависимости от концентрации O2: при концентрации O2 в среде 2% и pH 8,0 сродство РБФК и ФЕПК к CO2 оказывается одинаковым, при наличии в атмосфере 21% O2 РБФК находится в невыгодном положении из-за возрастания Кт CO2.
Отбор благоприятствовал в целом достижению ферментами наибольшей активности при наличии концентрации CO2 и O2, соответствующей современному уровню, а также возникновению механизма ее регулирования для обеспечения максимального выхода органического вещества. Мутантные аллели с малой активностью фермента могут быть или нейтральными, или отбрасываться отбором. Аминокислотные замещения в молекуле РБФК обычно оказывают влияние на приспособленность.
Высокая интенсивность фотосинтеза эволюционно стабилизируется также благодаря выработке механизма, устраняющего перепад концентрации промежуточных продуктов фотофосфорилирования в хлоропластах, — прекращается утечка ФГК в цитоплазму из-за поддержания высокого значения pH в строме, Mg2+ и т. д. В ВПФ-цикле использование ФГК (3ФГК + АТФ (Mg2+)→ 1,3 ДФГК + АДФ) —термодинамически невыгодная реакция из-за необходимости АТФ, АДФ и ФГК. Поэтому возникла необходимость вовлечения в качестве донора электронов НАДФН, а также использования основной части ассимиляционной энергии для восстановления ФГК (что связано с повторным превращением 5 из 6 возникающих триозофосфатов). Некоторое же количество ФГК может восстанавливаться независимо от фиксации CO2. Подобные процессы способствуют поддержанию концентрации ФГК внутри хпоропластов в 10 раз большей, чем в наружной среде.
Фермент РБФК рассматривают как белок номер один на Земле, содержание его в листьях составляет примерно 50% от всего белка в клетке, а в хлоропластах — 60—70%. Фермент состоит из 8 больших и 8 малых субъединиц. Белок больших субъединиц одинаков у всех зеленых растений, он определяет бифункциональность, синтезируется под контролем генома хлоропласта, структурный ген большой субъединицы наследуется по материнской линии. Белок малых субъединиц РБФК синтезируется под контролем ядерных генов (на рибосомах 80). Экспрессия генов малых субъединиц контролируется светом. Сборка же всей молекулы РБФК происходит в хлоропласте (Ю. С. Насыров, Ю. Д. Ахмедов, 1979). Следовательно, каталитически активная большая субъединица РБФК невидоспецифична ввиду общности ее функции у всех зеленых растений.
Для формирования функционально активного фотосинтетического аппарата необходимо кооперативное действие ядерных и хлоропластных генов. Более или менее хорошо изучены ген большой субъединицы РБФК и гены ряда полипептидов тилакоидной мембраны. Светом регулируется транскрипция ядерных генов, определяющих малую субъединицу РБФК, и светособирающего хлорофилл a, b-связывающего белка. Среди хлоропластных генов светозависимыми оказались и гены большой субъединицы РБФК и ряда белков хлоропласта. Эти данные важны для понимания сложности путей эволюции первичных механизмов фотосинтеза как результат отбора по комплексу реакций.
На примере РБФК можно проследить некоторые общие тенденции, характерные для эволюции ферментов: усиление каталитической активной функции путем объединения разных субъединиц (неравнозначных по функциям), повышение конформационной и функциональной лабильности молекул при отборе по реакционной активности. По этой причине РБФК у разных существ проявляет различия. Так, у бактерий Rhodospirillum rubrum, Hydrogenomanas eutropa, H. facillis РБФК. состоит из двух субъединиц, Chromatium thiosulfatophillum — из шести, у цианей и высших растений — из 8 больших и малых субъединиц (Е. Г. Судьина, Г. И. Лозовая, 1982), РБФК найдена и в этиолированных листьях, где содержание малых субъединиц в три раза превышает содержание Больших.
Активность ферментов определяется многими факторами. В частности, блокировка SH-групп и недостаток Mg2+ резко снижают активность РБФК в тканях зеленых листьев. Все фототрофы фиксируют CO2 с участием РБФК, и у них она равномерно распределена в строме. Функция РБФК во многом зависит от концентрации CO2 и O2 в среде. При этом меняется специфика «работы» фермента.
Говоря о функции РБФК, нельзя забывать и о том, что цикл Кальвина складывается в геологические эпохи, когда содержание CO2 в атмосфере превышало содержание O2. Эти условия, по мнению Р. Клейтона (1984), сказались на высоком сродстве фермента к CO2. У 5 видов С3— и 11 видов С4-растений была определена активность РБФК. У С4-растений она составила 5,9 мкмоль CO2 мг белка, что вдвое превышало таковую у С3-видов (J. R. Seemann et al., 1984).
На свету содержание РБФК в хлоропластах превышает в 100 раз уровень ее содержания в этиопластах. При освещении этиолированных проростков происходит быстрое и параллельное увеличение содержания мРНК и полипептида малой субъединицы РБФК, тогда как содержание большой субъединицы медленно меняется. В транскрипции мРНК малой субъединицы наблюдается три периода после освещения: 1) быстрый, в течение 1 ч после освещения; 2) медленный, продолжительностью 36 ч, синтез мРНК возрастает постепенно; 3) быстрый при переносе со света в темноту и наоборот (R. J. Ellis et al., 1984).
Интересные данные ранее были получены при сравнении теневыносливых растений (Aralia califomica, Disporum smithii, Viola glabella и др.) и светолюбивых (Atriplex patula, Plantago lanceolata, Solidago spathulata) (Bjorkman O., 1968). Так, активность РБФК (моль ∙ 10-6 CO2/мин) у первых в пересчете на 1 дм2 листовой пластинки составила около 2, тогда как у вторых — свыше 10. При пересчете на 1 мг хлорофилла, соответственно, 0, 38—0,76 и 1,89—5,72, на 1 мг белка 0,15—0,22 и 0,23—0,43. Низкие величины у теневыносливых растений компенсировались увеличением ассимилирующей поверхности, снижением дыхания и уменьшением доли нефотосинтезирующих частей.
В целом, очевидно, свойства РБФК наилучшим образом отвечают интересам растений, позволяют выполнить им космическую функцию. Здесь эволюции предстояло сделать первый и принципиальный выбор в усилении эффективности автотрофности, основой которой является фотосинтез. Несмотря на то что темновая фиксация CO2 составляет первичный этап фотоассимиляции углерода растениями и типы ее разнообразны (они различаются только по характеру регенерации акцептора CO2), все же фотосинтез оказался основой экологического равновесия биосферных процессов (А. Т. Мокроносов, В. Ф. Гавриленко, 1992). На разных уровнях организации фотосинтеза достигается стабилизация его механизма ввиду значимости процесса создания органического продукта для последующей эволюции жизни на Земле.