Метаболізм вуглецю при фотосинтезі (темнова фаза)

Продукти світлової фази фотосинтезу АТФ і НАДФН₂ використовуються в темновій фазі для відновлення СО₂ до рівня вуглеводів. На сьогодні відомі С₃- і С₄-шляхи фіксації СО₂, фотосинтез по типу товстянкових (САМ-метаболізм) і фотодихання.

С_з-шлях ФОТОСИНТЕЗУ (ЦИКЛ КАЛЬВІНА)

Шлях відновлення двоокису вуглецю, відкрив американський біохімік М. Кальвін. Цикл Кальвіна відбувається в стромі хлоропласта.

Цикл Кальвіна: 1 — рибулозо-1,5-дифосфат; 2 - фосфогліцеринова кислота; 3 - дифосфогліцеринова кислота; 4 - фосфогліцериновий альдегід; 5- фосфодіоксиацетон; 6- фруктозо-1,6-діфосфат; 7-фруктозо-6-фосфат; 8- еритрозо-4-фосфат; 9 - седогептулозо-1,7-діфосфат; 10 - седогептулозо-7-фосфат; 11 - ксилулозо-5-фосфат; 12 - рибозо-5-фосфат; 13 -рибулозо-5-фосфат.

Цикл Кальвіна можна представить у вигляді наступного сумарного рівняння:

3 РуБФ + 3 С0₂ + 6 НАДФН + 9 АТФ →3 РуБФ + ФГА + 3 Н₂0 + НАДФ⁺ + 9 АДФ + 8 Ф_н

Таким чином, на кожні 3 молекули СО₂, що надходять в цикл, утворюється 1 молекула ФГА.

Цей цикл поділяють на три етапи: 1) карбоксилювання, 2) відновлення і 3) регенерації.

Перший етап — карбоксилювання рибулозо-бісфосфату і утворення двох моле­кул фосфогліцеринової кислоти (ФГК). Етап починається з приєднання СО₂ до рибулозо-1,5-бісфосфату (РуБФ), який є первинним акцептором СО₂. Карбоксилювання катализується рибулозобісфосфаткарбоксилазою (РуБФ-карбоксилазою; РУБІСКА). Продуктом реакції є нестійке шістивуглецеве з'єднання 2-карбокси-3-арабінол-1,5-біфосфат, яке швидко розпадається на дві триози - дві молекули 3-фосфогліцеринової кислоти (3-ФГК).

ФГК є первинним продуктом асиміляції вуглецю. Через те що в її молекулі міститься 3 атома вуглецю, цей цикл отримав другу назву — «С₃-цикла».

Другий етап — відновлення ФГК за допомогою продуктів світлової фази АТФ і НАДФН і утворення двох молекул фосфогліцеринового альдегіду (ФГА). Ця реакція єдина реакція відновлення в усьому циклі.

На цьому етапі для подальших перетворень ФГК використовуються продукти світлової фази — АТФ і НАДФН. Спочатку ФГК фосфорилюється при участі АТФ, і утворюється 1,3-діфосфогліцеринова кислота (ДФГК). Реакція каталізується фосфогліцераткіназою.

Утворена кислота відновлюється за рахунок НАДФН і перетворюється на 3-фосфогліцериновий альдегід (ФГА), який частково трансформується за допомогою тріозофосфатізомерази в фосфодіоксиацетон (ФДОА). Процес відновлення ФГК до ФГА каталізується тріозофосфатдегідрогеназою.

Третій етап включає декілька реакцій, в результаті яких утворюється витрачена молекула рибулозо-1,5-бісфосфата. Для цього етапу також потрібна АТФ, що утворилась під час світлової фази фотосинтезу.

В результаті подальших реакцій циклу відбувається регенерація РуБФ. За допомогою альдолази ФДОА з‘єднується з молекулою ФГА, і утворюється молекула фруктозо-1,6-діфосфата (ФДФ).

Фруктозодіфосфат дефосфорилюється і перетворюється на фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф), що супроводжується накопиченням в стромі хлоропласта неорганічного фосфату. Від фруктозо-6-фосфату відщеплюється двовуглецевий фрагмент (—СО—СН₂ОН), який переноситься на третю молекулу ФГА. Реакція відбувається при уча­сті транскетолази. В результаті утворюється пентоза — ксилулозо-5-фосфат, а від Ф-6-Ф залишається 4-вуглецевий цукор — эритрозо-4-фосфат (Э-4-Ф). Эритрозо-4-фосфат з‘єднується з молекулою ФДОА, і утворюється семивуглецевий цукор — седогептулозо-1,7-діфосфат (СДФ). Після відщеплення фосфату седогептулозодіфосфат перетворюється в седогептулозофосфат (С-7-Ф). Потім від седогептулозофосфату відщеплюється 2-вуглецевий фрагмент, який переноситься на триозу. Утворюється ще одна молекула ксилулозо-5-фосфат і рибозо-5-фосфат (Р-5-Ф). Обидві молекули ксилулозо-5-фосфат і молекула рибозо-5-фосфат за допомогою рибозофосфатізомерази і рибулозофосфат-3-епімерази перетворюються в три молекули рибулозо-5-фосфат (Ру-5-Ф). Останні фосфорилюються за допомогою АТФ, що утворився на світловій фазі фотосинтезу, і виникають три молекули рибулозо-1,5-бісфосфат (РуБФ). Цю реакцію каталізує фосфорибулокіназа. Таким чином, витрачаються ще три молекули АТФ. Цикл замикається і може розпочатись знову. Рибулозофосфат і ФГА — це кінцеві продукти циклу. Всі інші речовини, що приймають участь, називають проміжними. Оскільки в циклі утворюються пентози, то його ще називають відновлювальним пентозофосфатним циклом (ВПФ-цикл).

Цикл проходить три рази і утворюється 6 молекул ФГА. П’ять з шести молекул тріозофосфату утворюють 3 молекули РуБФ, а шоста молекула ФГА є продуктом асиміляції СО₂. Вона може перетворитись в хлоропласті в первинний крохмаль або знову включитись в цикл, або, вийти в цитозоль, бути використаною для утворення сахарози. Із шостої молекули, що залишилася невикористаною 3-ФГА при повторенні циклу під дією альдолази синтезується фруктозо-1,6-діфосфат, з якого можуть утворитися глюкоза, сахароза або крохмаль. Таким чином, для синтезу однієї молекули глюкози (С₆) повинно відбутися шість обертів циклу. У кожному оберті циклу використовуються три молекули АТФ (дві для активування двох молекул ФГК й одна при регенерації акцептора СО₂ 1,5-РДФ) і дві молекули НАДФН₂ для відновлення ФГК до ФГА. Тому для синтезу однієї молекули глюкози в циклі Кальвіна необхідно 12 НАДФН₂ й 18 АТФ. Такий енергетичний внесок світлової фази в темнову фіксацію СО₂

Швидкість С₃-цикла залежить не тільки від кількості АТФ и НАДФН, що утворились на світловій фазі, але і від їх співвідношення. Тільки співвідношення 3 АТФ до 2 НАДФ забезпечує активне відновлення С0₂ і запасання енергії. Якщо ступінь спряження роботи електрон-транспортного ланцюга фотосинтезу з фотофосфорилюванням незначна, то інтенсивність фотосинтезу знижується через зменшення кількості рибулозо-1,5-бісфосфату, тому що зменшується фосфорилювання рибулозо-5-фосфата і можливість відновлення ФГК до ФГА. В результаті одночасно зі зниженням інтенсивності фотосинтезу серед асимілятів клітини збільшується доля невуглецевих з‘єднань (органічних кислот). Це характерно, для рослин, що вирощуються при низькому освітленні.

C₄-ШЛЯХ ФОТОСИНТЕЗУ (ЦИКЛ ХЕТЧА І СЛЕКА)

Шлях засвоєння СО₂, встановлений М. Кальвіним, є основним. Але існує велика група рослин, що включає більше 500 видів вкритонасіннєвих, у яких первинними продуктами фіксації СО₂ і відновлення є чотирьохвуглецеві з'єднання. Їх називають C₄ - рослинами. Основи для біохімічного дослідження фотосинтезу в C₄ – рослин були закладені в роботах Л. А. Незговоровой (1956-1957рр.), Ю. С. Карпілова й И. А. Тарчевского (1960-1963рр.), а також австралійських вчених Хетча й Слека. В 1966 р. Хетч і Слек запропонували закінчену схему циклу темнових реакцій у C₄ - рослин, що одержала назву циклу Хетча й Слека.

До C₄ - рослин відноситься ряд культурних рослин переважно тропічного й субтропічного походження — кукурудза, просо, сорго, цукрова тростина і багато злісних бур'янів — свинорий, сить округла, єжовник селянський, просо куряче, просо велике, гумай (сорго алепське), щириця, щетинник й ін. Як правило, це високопродуктивні рослини, що стійко здійснюють фотосинтез при значних підвищеннях температури й у посушливих умовах.

Для листів C₄ – рослин характерно анатомічна будова кранц-типу (від німец. Kranz - вінок, корона), тобто наявність яскраво відмінних одна від одної фотосинтезуючих клітин двох типів, які розташовуються концентричними колами: радіально розташовані навколо провідних пучків клітини обкладки й основний мезофіл.

Клітини обкладки провідного пучка містять великі, позбавлені гран (агранальні) хлоропласти. У клітинах мезофілу знаходяться більш дрібні гранальні хлоропласти. Ці два типи клітин фізіологічно не рівноцінні й спеціалізуються на виконанні різних ланок фотосинтезу. C₄ - цикл можна розділити на дві стадії: карбоксилювання, що відбувається в клітинах мезофілу, і декарбоксилювання і синтез вуглеводів, що відбуваються у клітинах обкладки провідних пучків. Загальним для всіх C₄ – рослин є те, що карбоксилюванню піддається фосфоенолпіровиноградна кислота (ФЕП) при участі ФЕП-карбоксилази і утворюється щавлевооцетова кислота (ЩОК), що відновлюється до яблучної кислоти або амінуєтся з утворенням аспарагінової кислоти.

СО₂, що надходить в рослини в лист крізь продихи. потрапляє в цитоплазму клітин мезофілу, де при участі ФЕП-карбоксилази вступає в реакцію с ФЕП, утворюючи щавлевооцетову кислоту (оксалоацетат). Потім вже в хлоропластах оксалоацетат відновлюється до яблучної кислоти (малату) за рахунок НАДФН₂, що утворюється в ході світлової фази фотосинтезу.

Потім малат переноситься в хлоропласти клітин обкладки судинного пучка, де він піддається окисному декарбосилюванню, продуктом якого є піровиноградна кислота (ПВК). Остання знов дифундує в мезофіл, де при участі АТФ, що утворюється в світловій фазі, відбувається регенерація ФЕП, після чого цикл карбоксилювання повторюється за участю нової молекули СО₂. СО₂ і НАДФН₂ , що утворюються в результаті окисного декарбоксилювання малату, поступають в цикл Кальвіна, що призводить до утворення ФГК та інших продуктів, властивих С₃-рослинам. Тому, саме клітини обкладки виконують роль основної асимілюючої тканини, що постачає цукри в провідну систему. Клітини мезофілу виконують допоміжну функ­цію — підкачку СО₂ для циклу Кальвіна. Таким чином, С₄-шлях забезпечує більш повне засвоєння СО₂, що особливо важливо для тропічних рослин, де основним лімітуючим фактором фотосинтезу є концентрація СО₂. Ефективність засвоєння СО₂ С₄-рослинами збільшується також за рахунок подачі НАДФН₂ в хлоропласти клітин обкладки.

Для С₄-цикла характерні наступні особливості: 1) з оксалоацетату — первинного продукту — утворюються малат або аспартат; 2) цикл ділять на два етапи: перший — карбоксилювання ФЕП в клітинах мезофілу, другий — декарбоксилювання малату або аспартату в клітинах обкладки; 3) цикл розділений в просторі: починається і закінчується в основних клітинах мезофілу, а декарбоксилювання відбувається в клітинах обкладки.

С₃- и С₄-цикли діють сумісно. Таке функ­ціонування двох циклів отримало назву кооперативного фотосинтезу [Карпилов, 1963]. Основна функція С₄-циклу — кон­центрування СО₂ для Сз-циклу. С₄-цикл є своєрідним насосом (вуглекисневою помпою) для Сз-циклу, за допомогою якого С0₂ атмосфери переноситься в Сз-цикл.

Якщо Сз-цикл є у всіх рослин, то С₄-цикл до цього часу виявлений у однодольних та дводольних наземних рослин 16 родин. Рослини, у яких С0₂ відновлюється в результаті функціонування С₃- и С₄-циклів, були названі С₄-рослинами, а рослини, у яких функціонує тільки Сз-цикл, — Сз-рослинами. С₄-рослини — це переважно тропічні і субтропічні рослини, вони є високоврожайні

У С₄-рослин більш активними є ФЕП-карбоксилаза, малатдегідрогеназа і аспартатамінотрансфераза, а у Сз-рослин — РуБФ-карбоксилаза. ФЕП-карбоксилаза може фіксувати двоокис вуглецю при набагато нижчих її концентраціях, ніж РуБФ-карбоксилаза. Завдяки функціонуванню вуглекисневої помпи (С₄-циклу) кон­центрація С0₂ в клітинах обкладки, де проходить Сз-цикл, в декілька раз більше, ніж в навколишньому середовищі. В умовах підвищених температур, в яких ростуть С₄-рослини розчинність С0₂ значно знижена. В листках С₄-рослин карбокилювання відбувається двічі. Для відновлення ФГК в Сз-циклі необхідно АТФ і НАДФН. Агранальні хлоропласти клітин обкладки містять лише фотосистему I, тому в них можливе тільки циклічне фотофосфорилювання. Тому, в цих клітинах НАДФ не відновлюється. У С₄-рослин в хлоропластах клітин обкладки фотосистема I активніша, ніж у Сз-рослин, тому у них є циклічний транспорт електронів і пов‘язане з ним фосфорилювання АДФ проходять швидше. Граналь­ні хлоропласти основних клітин мезофілу містять обидві фото­системи, тому в них відбувається циклічне і нециклічне фото­фосфорилювання з утворенням АТФ і НАДФН. Коли малат з мезофільних клітин поступає в клітини обкладки і там декарбоксилюється, одночасно відновлюється НАДФ, який необхі­дний для відновлення ФГК.

Таким чином, С₄-цикл постачає в Сз-цикл водень для відновлення двоокису вуглецю. Для нормального проходження темнової фази фотосинтезу необхідна жорстка координація швидкостей Сз- і С₄-циклів і швидкий відтік асимілятів з фотосинтезуючих клітин.

Еволюційно Сз-цикл виник раніше, ніж С₄-цикл. У деревних, більш старої життєвої форми С₄-цикл не виявлений.