Темновая фаза фотосинтеза — путь превращения углерода

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.

«С-3» путь фотосинтеза (цикл Кальвина)

Кальвин выдвинул предположение, что в хлоропластах имеется какое-то вещество-акцептор, которое, взаимодействуя с СО2, образует фосфоглицериновую кислоту (акцептор +СО₂ → ФГК). Для того что­бы установить природу акцептора, была проведена серия опытов с из­меняющимися внешними условиями (смена света и темноты в присут­ствии и отсутствии ¹⁴СО₂). Оказалось, что после выключения света содержание ФГК продолжает расти. Одновременно наблюдалось быстрое исчезновение пятиуглеродного соединения, рибулезодифосфата (РДФ). Через 30 с темноты РДФ не обнаруживался. Вместе с тем на свету количество РДФ оставалось постоянным. Иная картина наблюдалась в отсутствии СО₂. В этом случае ни в темноте, ни на све­ту содержание РДФ и ФГК не изменялось. Из полученных данных следовало, что в присутствии СО₂ РДФ в темноте используется для образования ФГК. Дальнейшие превращения ФГК требуют света. В силу этого Кальвин выдвинул следующую предварительную схему ; процесса фотосинтеза:

продукты свет, фазы

6АТФ + 6НАДФ-Н₂

ЗРДФ + ЗС0₂ + ЗН₂0 →6 ФГК----------------→ 6 ФГА → 1 ФГА

↑ ↓

В← Б← А←---------------5 ФГА

Согласно этой схеме РДФ является акцептором, который при­соединяет С0₂, в результате чего образуется ФГК. Однако в отсут­ствии света РДФ быстро оказывается использованным и исчезает. При этом накапливается известное количество ФГК. Именно это и наблюдалось в эксперименте. На свету при участии продуктов световой фазы происходит восстановление ФГК до фосфоглицеринового альдегида (ФГА). Судьба образовавшихся молекул ФГА различна. Частично путем ряда превращений ФГА используется на регенера­цию акцептора (РДФ). В силу этого количество РДФ на свету под­держивается на постоянном уровне. В каждом цикле принимают участие три молекулы акцептора (РДФ) и образуется 6 молекул триозы (ФГА). Пять молекул ФГА идет па регенерацию акцептора. Каждая шестая молекула ФГА выходит из цикла и используется для построения углеводов. В связи с этим темповые реакции фотосинтеза можно представить как разветвленный цикл.

Цикл Кальвина можно разделить на три фазы.

Первая фаза — карбоксилирование. Эта реакция катализируется специфическим для процесса фотосинтеза ферментом РДФ-карбокси-лазой. В листьях этот фермент содержится в больших количествах и является основной фракцией белка хлоропластов. По-видимому, его образование активируется светом.

Вторая фаза — восстановление. Дальнейшие превращения ФГК требуют участия продуктов световой фазы фотосинтеза: АТФ и НАДФ-Н+ + Н+. Прежде всего происходит реакция фосфорилирова-ния 3-ФГК. Донором фосфатной группы является АТФ. При этом образуется 1,3-дифосфоглицериновая кислота. Реакция катализирует­ся ферментом фосфоглицерокиназой. Образовавшееся в этой реакции соединение — дифосфоглицериновая кислота — обладает более высокой реакционной способностью, содержит макроэргическую связь. Карбоксильная группировка этого соединения восстанавливается до альдегидной с помощью триозофосфатдегидрогеназы, коферментом которой служит НАДФ.

Образовавшийся фосфоглицериновый альдегид (ФГА) претерпевает ряд превращений. Из шести молекул ФГА пять идут на регенерацию акцептора — рибулезодифосфата, а одна молекула выходит из цикла.

Третья фаза — регенерации. В процессе регенерации акцептора используется пять молекул ФГА, в результате чего образуются три молекулы рибулезо-5-фосфата. Этот процесс идет через образование 4-, 5-, 6-, 7-углеродных соединений. Прежде всего первая молекула ФГА изомеризуется до фосфодиоксиацетона. Процесс катализируется ферментом триозофосфатизомеразой. От ФДФ отщепляется фосфат и превращается в фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф). Далее от Ф-6-Ф (С₆) отщепляется 2-углеродный фрагмент (—СО—СН₂ОН), который переносится на следующую (третью) триозу. Эта транскетолазная реакция идет при участии фермента транскетолазы. В результате образуется первая пентоза-(С₅)-рибулезофосфат. От Ф-6-Ф остается 4-углеродный сахар эритрозофосфат(С₄). Эритрозофосфат конденсируется с четвертой триозой с образо ванием седогептулезодифосфата (С₇). После отщепления фосфата седогептулезодифосфат превращается в седогептулезофосфат. Далее снова происходит трапскетолазная реакция, в результате которой от седогептулезофосфата отщепляется 2-углеродный фрагмент, который переносится на пятую триозу. Образуются еще две молекулы рибуле-зофосфата. Таким образом, в результате рассмотренных реакций об­разовались 3 молекулы рибулезофосфата. Для образования из них акцептора (РДФ) необходимо их фосфорилирование. Для этого ис­пользуются три молекулы АТФ. При прохождении двух циклов из 12 молекул образовавшегося ФГА две молекулы выходят из них, образуя одну молекулу фруктозодифосфата (ФДФ).

На основании приведенных реакций можно рассчитать энергети­ческий баланс цикла Кальвина. Для восстановления шести молекул С02 до уровня углеводов (глюкозы) требуется 18 молекул АТФ и 12 НАДФ-Н₂. Соответственно для восстановления до уровня угле­водов одной молекулы СО₂ необходимы три молекулы АТФ и две НАДФ • Н₂. Как мы видели, для образования двух молекул НАДФ • Н₂ и двух молекул АТФ необходимо 8 квантов света. Недостающее коли­чество АТФ образуется в процессе циклического фотофосфорилирования. Следовательно, для восстановления одной молекулы СО₂ до уровня углеводов должно быть затрачено 8—9 квантов. Энергия кван­тов красного света равна 168 кДж/моль. Таким образом, при исполь­зовании квантов красного света на восстановление одной молекулы СО₂ до уровня углеводов затрачивается примерно 1340—1508 кДж. Из этой энергии в 1/6 -моль гексозы откладывается 478 кДж. КПД фотосинтеза в этом случае должен составить около 30—35%. Однако в естественных условиях коэффициент использования света значи­тельно меньше.

В отличие от ферментов, принимающих участие в цепи переноса электронов (световая фаза фотосинтеза) ферменты цикла Кальвина локализованы в матриксе хлоропластов. Согласованному осущест­влению всех реакций способствует то, что эти ферменты часто ассо­циированы на поверхности мембран и составляют определенные ан­самбли.

«С-4» путь фотосинтеза (цикл Хетча — Слэка)

Путь углерода при фотосинтезе, установленный Кальвином, являет­ся основным. Однако у некоторых растений, по пре­имуществу тропических и субтропических (в том числе кукурузы, са­харного тростника), фотосинтез идет несколько по иному пути. На первом этапе происходит реакция карбоксилирования фосфоенолпировиноградной кислоты (ФЕП). Реакция катализируется ферментом фосфоенолпируваткарбоксилазой (ФЕП-карбоксилазой) с образованием щавелевоуксусной кислоты (ЩУК). Поскольку в этом случае первый продукт карбоксилирова­ния — ЩУК содержит четыре атома углерода, его называют «С-4» путь, в отличие от цикла Кальвина, где образуется ФГК, содержа­щая три атома углерода («С-3» путь). Щавелевоуксусная кислота преобразуется в яблочную кислоту. В последующем происходит реак­ция транскарбоксилировапия, при которой СО₂ снова отщепляется от органических кислот и вступает в цикл Кальвина — присоединяется к рибулезодифосфату. Таким образом, сущность «С-4» пути заключается в том, что реакция карбоксилирования происходит дважды. Это позволяет растению создавать запасы углерода в клет­ках. Как и во всяком биохимическом цикле, акцепторы (ФЕП и РДФ) регенерируют, что и создает возможность его непрерывного функционирования. Исследования показали, что в растениях, в ко­торых процесс фотосинтеза протекает по «С-4» пути, имеются два типа хлоропластов: 1) крупные пластиды, часто лишенные гран, в клетках обкладки, окружающих сосудистые пучки; 2) мелкие гранальпые пластиды в клетках мезофилла листа.

В клетках мезофилла с мелкими хлоропластами осуществляется карбоксилирование фосфоеполпировиноградной кислоты с образова­нием четырехуглеродного соединения — ЩУК (и в некоторых слу­чаях аспарагиновой кислоты). Затем ЩУК передвигается в клетки обкладки, где происходит реакция транскарбоксилирования, в ре­зультате которой СО₂ отщепляется и вступает в цикл Кальвина. При этом фосфоенолпировиноградная кислота (ФЕП) регенерирует. По­скольку при таком механизме фотосинтеза принимают участие два типа клеток и два типа хлоропластов, этот путь называют коопера­тивным. Фиксация СО₂ по «С-4» пути име­ет ряд преимуществ. Показано, что некоторые представители расте­ний, ведущие ассимиляцию по «С-4» пути, осуществляют первые этапы этого процесса (образование органических кислот) в ночной период суток. В последующий светлый период углекислота освобож­дается и реассимилируется в цикле Кальвина. Такая последова­тельность позволяет осуществлять фотосинтез днем при закрытых устьицах, что имеет большое значение, так как предохраняет расте­ние от излишней потери воды. Возможно, именно с этим связана большая засухоустойчивость растений с таким типом фотосинтеза. У растений, осуществляющих фотосинтез по «С-4» пути, отсутствует процесс фотодыхания. Это последнее обстоятельство уменьшает не­производительную трату органического вещества и увеличивает про­дуктивность растений. Открытие «С-4» пути позволило расшифровать особенности фотосинтеза у суккулентов. Оказалось, что суккуленты в ночное время фиксируют углерод в органических кислотах, по преимуществу в яблочной. По-видимому, это происходит под дейст­вием фермента пируваткарбоксилазы. Далее эта фиксированная угле­кислота с помощью транскарбоксилирования переносится на неиден­тифицированный акцептор и используется для образования триоз. Осуществление фотосинтеза по такому пути позволяет суккулентам в течение дня держать устьица закрытыми и таким образом сокра­щать транспирацию. В литературе имеются указания о наличии и других путей свя­зывания СО₂. Однако они еще недостаточно охарактеризованы. Важ­но также подчеркнуть, что на всех этапах фотосинтетического цик­ла промежуточные продукты могут претерпевать различные превра­щения в зависимости от условий среды. Именно это является осно­вой для образования разнообразных продуктов фотосинтез.