16. Методы изучения фотосинтетического метаболизма углерода. Общая характеристика пентозофосфатного восстановительного пути. Основные ферменты. Стехиометрия цикла.

Датой открытия процесса фотосинтеза можно считать 1771 г. Английский ученый Дж. Пристли обратил внимание на изменение состава воздуха вследствие жизнедеятельности животных. В присутствии зеленых растений воздух вновь становился пригодным как для дыхания, так и для горения. В дальнейшем работами ряда ученых (Я. Ингенгауз, Ж. Сенебье, Т. Соссюр, Ж.Б. Буссенго) было установлено, что зеленые растения из воздуха поглощают С02, из которого при участии воды на свету образуется органическое вещество. Именно этот процесс в 1877 г. немецкий ученый В. Пфеффер назвал фотосинтезом. Большое значение для раскрытия сущности фотосинтеза имел закон сохранения энергии, сформулированный Р. Майером. В 1845 г. Р. Майер выдвинул предположение, что энергия, используемая растениями, — это энергия Солнца, которую растения в процессе фотосинтеза превращают в химическую энергию. Это положение было развито и экспериментально подтверждено в исследованиях замечательного русского ученого К.А. Тимирязева.

    Сущность темновых реакций процесса фотосинтеза была раскрыта благодаря исследованиям американского физиолога Кальвина (цикл Кальвина). Успех работы, проведенной Кальвином и его сотрудниками, определялся широким применением новых методов исследования. 

Большую роль в физиологии растений вообще и физиологии фотосинтеза в частности сыграло также появление нового мощного метода исследования, а именно метода многофакторных опытов. Этот количественный метод применяется в физиологических исследованиях сравнительно недавно, но в будущем он безусловно займет в них важное место.

    К другим важным научным событиям XIX в. относятся исследования Соссюра по фотосинтезу и фиксации СО2 в растениях, работы Ладзаро Спалланцани, Рене Рюомюра, Уильяма Бомонта и Клода Бернара по физиологии пищеварения и разработка хирургических методов исследования. 

    В предлагаемой работе рассматриваются новые методы применения радиоактивного углерода С для исследования вопросов экологической физиологии фотосинтеза, разработанные на протяжении последних 4 лет коллективом сотрудников Памирской биологической станции Академии наук Таджикской ССР и лаборатории фотосинтеза Ботанического института им. В. Л. Комарова Академии Наук СССР. Метод, возникший в результате этой работы, позволяет определять не только интенсивность фотосинтеза, но и качественный состав продуктов, в которые включается поглощенный углерод. Можно предполагать, что при дальнейшем усовершенствовании метод может быть широко использован для изучения биологической продуктивности растений в естественных условиях, для оценки различных факторов, влияющих на фотосинтез, и т. п. 

Восстановительный пентозофосфатный цикл, или цикл Кальвина, являющийся основным путем фиксации СО2 у всех высших фотосинтезирующих организмов, функционирует уже в группе пурпурных бактерий . У цианобактерий и прохлорофит это также основной путь фиксации СО2. Последовательность ферментативных реакций, приводящих к фиксации углекислоты и образованию из нее молекулы гексозы, была расшифрована Кальвином (M.Calvin) с сотрудниками в 50-х гг. XX в.В этом цикле акцептором СО2 выступает вещество углеводной природы - активированная молекула пентозы.Ферментативные пути, ведущие к синтезу пентозофосфатов, уже формировались в окислительном пентозофосфатном пути . Для восстановительного пентозофосфатного цикла уникальными являются два фермента, не участвующие в других метаболических путях: фосфорибулокиназа и рибулозодифосфаткарбоксилаза. Первый из них связан с активированием молекулы акцептора путем вторичного фосфорилирования, а второй катализирует реакцию акцептирования рибулозо-1,5-дифосфатом молекулы СО2 и последующее гидролитическое расщепление образовавшейся гексозы на 2 молекулы 3-ФГК , одна из которых в карбоксильной группе содержит углерод из СО2.

Образовавшиеся молекулы 3-ФГК затем подвергаются серии последовательных ферментативных превращений, ведущих к образованию молекулы глюкозы . Реакция восстановления 1,3-ФГК до 3-ФГА , катализируемая 3-ФГА-дегидрогеназой, у пурпурных и зеленых бактерий зависит от НАД*Н2 , а у цианобактерий и высших растений - от НАДФ*Н2 .

Для синтеза 1 молекулы глюкозы из СО2 необходимо 6 оборотов цикла.

Ц. Кальвина: 4 стадии:

1. Карбоксилирование

2. Восстановление ФГК

3. Регенерация акцептора

4. Синтез углеводных продуктов фотосинтеза.

№	Исходные в-ва	Продукты	Фермент
1	6 Рибулозо-1,5-бисР; 6 СО2; 3 Н2О	12 шт 3-ФГК; 6 Н+	Рубиско
2	12 шт 3-ФГК; 12 АТФ	12 шт 1,3-бисР-глицерат; 12 АДР	Фосфоглицераткиназа, 2 кл
3	12 шт 1,3-бисР-глицерат; 12 НАДФН + Н+	12 шт 3-ФГА; 12 НАДФ+ + 12 Фн	Глицеральдегид-3-Р-дегидрогеназа, 1 кл.
4	5 шт 3-ФГА	5 шт ДОАФ	Триозо-Р-изомераза, 5 кл
5	3 шт 3-ФГА + 3 шт ДОАФ	Фруктозо-1,6-бисР	Альдолаза, 4 кл
6	Фруктозо-1,6-бисР; 3 Н20	Фруктозо-6-Р; 3Фн	Фруктозо-1,6-бисфосфотаза 3 кл
7	Фруктозо-6-Р	Глюкозо-6-Р	Фосфоглюкоизомераза 5 кл
8	Глюкозо-6-Р; АДФ, Н2О	Глюкоза; АТФ, Фн	Глюкозо-6-фосфотаза 3 кл
9	2 шт Фруктозо-6-Р + 2 шт 3-ФГА	2 шт ксилулозо-5-Р + 2 шт эритрозо-4-Р	Транскетолаза 2 кл
10	2 шт эритрозо-4-Р + 2шт ДОАФ	2 шт седогептулозо-1,7-бисР	Альдолаза 4 кл
11	2 шт седогептулозо-1,7-бисР; 2Н2О	2 шт седогептулозо-7-Р; 2Фн	Седогептулозо-1,7-бисфосфотаза 3 кл
12	2 шт седогептулозо-7-Р + 2 шт 3-ФГА	2 шт рибозо-5-Р + 2 шт ксилулозо-5-Р	Транскетолаза 2 кл
13	2 шт рибозо-5-Р	2 шт рибулозо-5-Р	Рибулозо-5-Р-3-эпимераза 5 кл
14	4 шт ксилулозо-5-Р	4 шт рибулозо-5-Р	Рибулозо-5-Р-3-эпимераза 5 кл
15	6 шт рибулозо-5-Р; 6 АТФ	6 шт рибулозо-1,5-бисР; 6 АДФ	Фосфорибулокиназа 2 кл

P.S. Р-это фосфат, понятно, да, думаю. Желтенькие – активируются светом.