Темновая фаза фотосинтеза (пути ассимиляции углерода)

Темповая фаза фотосинтеза — это комплекс химических реакций, в результате которых происходит восстановление поглощенного листом С0₂, а также корнем NO3 и БО^за счет продуктов световой фазы (НАДФН, Ф_ЛН₂ и АТФ), и образуются органические вещества. НАДФН, Ф_ЛН₂, образовавшиеся в световой фазе и используемые на восстановление, получили название ассимиляционной силы, или восстановительных эквивалентов.

Цикл Кальвина

На рис. 4.15 представлен путь восстановления двуокиси углерода, названный циклом Кальвина по имени открывшего его американского биохимика М. Кальвина, получившего в 1961 г. за эти исследования Нобелевскую премию.

Рис. 4.15. Цикл Кальвина.

Цикл начинается с присоединения С0₂ к рибулозо-1,5-бисфосфату (РуБФ). РуБФ является акцептором С0₂. Карбоксилирование катализируется рибулозобисфосфаткарбоксилазой (РуБФ-карбоксилазой; РуБисКО; RuBisCO). Это самый распространенный белок на Земле. Продукт реакции, содержащий шесть атомов углерода, распадается на две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (ФГК).

ФГК является первичным продуктом ассимиляции углерода. Так как в ее молекуле содержится три атома углерода, то этот цикл получил второе название — С₃-цикл. Для дальнейших превращений ФГК необходимы продукты световой фазы — АТФ и НАДФН. Прежде всего, ФГК фосфорилируется при участии АТФ, и образуется 1,3-дифосфоглицериновая кислота (ДФГК) (см. рис. 4.15). Реакция катализируется фосфоглицераткиназой.

Эта кислота восстанавливается за счет НАДФН, и образуется 3-фосфоглицериновый альдегид (ФГА), частично превращающийся с помощью триозофосфатизомеразы в фосфодиоксиацетон (ФДОА). Процесс восстановления ФГК до ФГА катализируется триозофосфатдегидрогеназой.

В результате остальных реакций цикла происходит регенерация РуБФ (см. рис. 4.15). С помощью альдолазы ФДОА соединяется с молекулой ФГА, и возникает молекула фруктозе-1,6-дифосфата (ФДФ).

Фруктозодифосфат дефосфорилируется и превращается во фруктоза — 6-фосфат (Ф-6-Ф), что сопровождается накоплением в строме хлоропласта неорганического фосфата. От фруктозо-б-фосфата отщепляется двухуглеродный фрагмент (— СО — СН₂ОН), который переносится на третью молекулу ФГА. Реакция идет при участии транскетолазы. В результате образуется пентоза — ксилулозо-5-фосфат, а от Ф-6-Ф остается 4-углеродистый сахар — эритрозо-4-фосфат (Э-4-Ф). Эритрозо-4- фосфат соединяется с молекулой ФДОА, и образуется семиуглеродистый сахар — седогептулозо-1,7-дифосфат (СДФ). После отщепления фосфата седогептулозодифосфат превращается в седогептулозофосфат (С-7-Ф). Затем от седогептулозофосфата отщепляется 2-углеродный фрагмент, который переносится натриозу. Образуются еще одна молекула ксилулозо- 5-фосфата и рибозо-5-фосфат (Р-5-Ф). Обе молекулы ксилулозо-5- фосфата и молекула рибозо-5-фосфата с помощью рибозофосфатизомеразы и рибулозофосфат-3-эпгшеразы превращаются в три молекулы рибулозо-5-фосфата (Py-5-Ф). Последние фосфорилируются с помощью АТФ, образовавшихся во время световой фазы фотосинтеза, и возникают три молекулы рибулозо-1,5-бисфосфата (РуБФ). Эту реакцию катализирует фосфорибулокиназа. Таким образом, расходуются еще три молекулы АТФ. На этом цикл замыкается и может начаться снова. Рибулозо-фосфат и ФГА — конечные продукты этого цикла. Все остальные вещества, участвующие в нем, называют промежуточными. Поскольку в этом цикле образуются пентозы, то он имеет еще одно название — восстановительный пентозофосфатный цикл (ВПФ-цикл).

Цикл Кальвина можно представить в виде следующего суммарного уравнения:

Итак, на каждые три молекулы С0₂, вошедшие в цикл, образуется одна молекула ФГА и расходуются шесть молекул НАДФН и девять молекул АТФ.

Для простоты этот цикл делят на три этапа: 1) карбоксилирующий; 2) восстановительный и 3) регенерирующий. Первый этап — карбоксили-

рование рибулозобисфосфата и образование двух молекул фосфоглицериновой кислоты (ФГК). Второй этап — восстановление ФГК с помощью продуктов световой фазы АТФ и НАДФН и образование двух молекул фосфоглицеринового альдегида (ФГА). Эта реакция — главная и является единственной реакцией восстановления во всем цикле. Третий этап включает несколько реакций, в результате которых образуется потраченная молекула рибулозо-1,5-бисфосфата. Для этого этапа также нужна АТФ, образовавшаяся во время световой фазы фотосинтеза.

Если цикл проходит три раза, то образуется шесть молекул ФГА. Пять из шести молекул триозофосфата используются для регенерации трех молекул РуБФ, а шестая молекула ФГА выходит из цикла и включается в синтетические процессы. Например, ФГА может использоваться для образования в хлоропласте первичного крахмала или, выйдя в цитозоль, для образования сахарозы или органических кислот.

Скорость С₃-цикла зависит не только от количества образуемых во время световой фазы АТФ и НАДФН, но и от их соотношения. Только соотношение ЗАТФ к 2НАДФ обеспечивает активное восстановление С0₂ и запасание энергии. Если степень сопряжения работы электронтранспортпой цени фотосинтеза с фотофосфорилированием мала, то интенсивность фотосинтеза снижается из-за уменьшения количества рибулозо-1,5- бисфосфата, так как в этом случае будет плохо идти фосфорилирование рибулозо-5-фосфата, уменьшается возможность восстановления ФГК до ФГА. В результате одновременно со снижением интенсивности фотосинтеза среди ассимилятов клетки возрастает доля неуглеводных соединений, например органических кислот. Такое явление характерно, например, для растений, выращиваемых при слабой освещенности. Цикл Кальвина происходит в строме хлоропласта.

Ночью в листе эти реакции не идут, так как наиболее важные ферменты цикла (РуБисКО, триозофосфатдегидрогеназа, рибулозо-5-фосфаткиназа, седогептулозо-1,7-бисфосфатаза и фруктозо-1,6-бисфосфатаза) активируются только при освещении. Активность этих ферментов регулируется также конечным продуктом.