Биохимия растений

ными комплексами фотосистем I и II восьми квантов света (по четыре кванта каждой фотосистемой).

В процессе переноса указанных четырех электронов по элек˝т-

ронтранспортной цепи от белково-пигментного комплекса ф˝отосистемы II на белково-цитохромный комплекс происходит вос˝- становление и затем окисление липидорастворимого пласт˝охино-

на, которое сопряжено с переносом четырех протонов из вне˝шне-

го матрикса во внутреннюю полость тилакоида. Таким образо˝м, в результате переноса четырех электронов по системе нецик˝личес-

кого транспорта во внутренней полости тилакоида накапли˝вается

восемь протонов, которые создают трансмембранный электр˝охимический потенциал. Как только энергия этого потенциала д˝ости-

гает определенной величины, начинает функционировать бе˝лко-

вый ионный канал, по которому протоны движутся из внутрен˝ней полости тилакоида на внешнюю его поверхность, предотвращ˝ая

дальнейшее увеличение трансмембранного потенциала.

Из ионного канала протоны поступают в АТФ-синтетазный белковый комплекс и в нем инициируют фосфорилирование АД˝Ф

с участием неорганического фосфата:

ÀÄÔ + Í3ÐÎ4 → ÀÒÔ + Í2Î

Непосредственный механизм образования АТФ пока еще

окончательно не установлен. Наиболее вероятно, что на каж˝дые два протона, поступающие в АТФ-синтетазный комплекс по ио˝н- ному каналу, может синтезироваться одна молекула АТФ. Есл˝и же учитывать, что в ходе образования одной молекулы О2 во внутрен-

ней полости тилакоида накапливается восемь протонов, а по˝ электронтранспортной цепи переносится четыре электрона, то с˝огласно указанному количественному выходу возможен синтез че˝тырех

молекул АТФ.

Однако не все протоны, выходящие через ионный канал на внешнюю поверхность тилакоида, участвуют в образовании АТФ, часть из них затрачивается на синтез восстановленных˝ динуклеотидов НАДФ · Н, поэтому реальный выход АТФ при нециклическом транспорте электронов в расчете на одну моле˝кулу образующегося О2 составляет не четыре молекулы, а три или

даже меньше.

Дополнительное количество АТФ в системе фотофосфорили-

рования может синтезироваться за счет функционирования˝ цик-

лического транспорта электронов, в ходе которого также ос˝уществляется перенос протонов из внешнего матрикса во внутр˝еннюю полость тилакоидов, вызывающий возникновение трансмемб˝ранного электрохимического потенциала, способного инициир˝овать

291

синтез макроэргических фосфатных связей АТФ в результат˝е фосфорилирования АДФ с участием неорганического фосфата.

Образовавшиеся в ходе фотохимических реакций биоэнерге˝ти-

ческие продукты фотосинтеза НАДФ · Н и АТФ далее использ˝у- ются в фотосинтезирующих клетках в процессах синтеза угл˝еводов и различных неуглеводных продуктов при осуществлении др˝угих

эндергонических процессов, происходящих в листьях расте˝ний

или в клетках других фотосинтезирующих организмов.

9.1.2.ТЕМНОВАЯ СТАДИЯ ФОТОСИНТЕЗА

Âходе темновых реакций фотосинтеза происходит эндергон˝и-

ческий процесс образования углеводов из диоксида углеро˝да

(ÑÎ2) и воды, в котором в качестве энергетических источников

используются продукты световых реакций НАДФ · Н и АТФ. Пос-

ледовательность химических превращений в темновой стад˝ии фотосинтеза была выяснена американскими биохимиками М. Ка˝ль-

вином, А. Бенсоном и Д. Басхемом в 1946—1953 гг. и впоследствии

названа циклом Кальвина, поскольку открытые ими превраще˝ния носили циклический характер. Все эти реакции протекают в ˝строме — жидкой дисперсионной среде хлоропластов.

Для установления первичных продуктов, которые образуютс˝я

при фотосинтезе из СО2 è Í2О, М. Кальвин и его сотрудники ис-

пользовали культуру водорослей хлореллы, в которую вводи˝ли на

свету СО2, меченный 14Ñ, â âèäå Í214ÑÎ3, через короткие промежутки времени отбирали пробы клеток суспензии водоросле˝й и

фиксировали их метанолом. После этого из клеток хлореллы ˝выделяли углеводы и другие органические вещества и определяли в них наличие радиоактивной метки, обусловленной включени˝ем в эти продукты 14С. При этом было установлено, что при коротких экспозициях клеток водорослей в суспензионной среде (0,1—5 ˝с),

содержащей 14ÑÎ2, большая часть радиоактивной метки обнаруживалась в карбоксильной группе 3-фосфоглицериновой кисл˝оты. Последнее свидетельствовало о том, что фосфоглицеринова˝я кислота является первичным продуктом фотосинтеза.

Âдальнейшем с использованием радиоактивной метки в виде˝ 14Ñ è 32Р было показано, что первичным акцептором, с которым

взаимодействует СО2, служит рибулозо-1,5-дифосфат è ÷òî ýòó ðå-

акцию катализирует фермент рибулозодифосфаткарбоксилаза

(4.1.1.39). Учитывая, что для образования карбоксильной группы

кроме СО2 требуется еще молекула воды, первую реакцию цикла Кальвина можно записать следующим образом:

292

(2)

Продукт реакции 1,3-дифосфоглицериновая кислота — мак-

роэргическое соединение, характеризующееся высоким зна˝чени-

ем потенциала переноса фосфатной группы (при гидролизе G°′ = –49 êÄæ · ìîëü–1), в связи с чем оно легко подвергается

восстановлению в следующей реакции под действием фермен˝та

триозофосфатдегидрогеназы (1.2.1.9) с участием восстановленной

формы динуклеотида НАДФ · Н:

(3)

В ходе восстановительной реакции происходит синтез 3-фос-

фоглицеринового альдегида и отщепление от 1,3-дифосфоглиц˝е-

риновой кислоты минерального фосфата. Участвующие в синт˝езе 3-фосфоглицеринового альдегида АТФ и НАДФ · Н являются пр˝о-

дуктами световой стадии фотосинтеза.

Как было показано ранее, в результате связывания одной мо˝ле-

êóëû ÑÎ2 в первой реакции цикла Кальвина образуются две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты, которые в ходе реакций (2˝) и (3) превращаются в две молекулы 3-фосфоглицеринового альд˝е- гида, а последние довольно легко изомеризуются в фосфодио˝кси-

ацетон. Реакцию изомеризации катализирует фермент триозофосфатизомераза (5.3.1.1):

(4)

294

Представленная реакция легко обратима, так как сопровожд˝а- ется небольшим изменением свободной энергии. Фермент три˝- озофосфатизомераза отличается высокой молярной активно˝стью (2800 кат · моль–1 фермента для превращения в фосфодиокси-

ацетон).

Образовавшиеся триозофосфаты не накапливаются в хлороп˝ла-

стах. Под действием фермента альдолазы (4.1.2.13) они конденсируются, превращаясь во фруктозо-1,6-дифосфат:

(5)

После этого от фруктозо-1,6-дифосфата происходит гидроли-

тическое отщепление остатка фосфорной кислоты. Реакцию к˝атализирует фермент фруктозо-1,6-дифосфатаза (3.1.3.11). Â õîäå

этой реакции фруктозодифосфат превращается во фруктозо˝-6-

фосфат:

(6)

Фруктозо-1,6-дифосфатаза — фермент, активируемый светом.

Его активирование происходит с участием восстановленно˝го под

действием света ферредоксина, который совместно со специ˝фи- ческим белком переводит фруктозо-1,6-дифосфатазу в активно˝е состояние. От действия этого фермента зависит интенсивность

включения СО2 в первой реакции цикла Кальвина. Если актив-

ность фруктозо-1,6-дифосфатазы низкая, то повышается концен˝т-

рация фруктозо-1,6-дифосфата, который аллостерически ингиб˝и-

295

рует фермент рибулозодифосфаткарбоксилазу, вследствие ˝чего понижается скорость первой реакции цикла Кальвина, катал˝изируемой данным ферментом. Если же фруктозо-1,6-дифосфатаза находится в активной форме, то повышается концентрация фр˝ук-

тозо-6-фосфата, являющегося аллостерическим активатором р˝и- булозодифосфаткарбоксилазы. При таких условиях связыва˝ние

ÑÎ2 проходит с максимальной скоростью.

На следующем этапе фотосинтеза фермент транскетолаза

(2.2.1.1) катализирует перенос концевого двууглеродного ради-˝

кала, содержащего кетонную группу, от фруктозо-6-фосфата на˝

3-фосфоглицериновый альдегид, который образуется в резуль˝тате

присоединения к рибулозо-1,5-дифосфату еще одной молекулы СО2 и повторения реакций (2) и (3). В результате взаимодействия

гексозы и триозы синтезируются новые углеводные продукт˝ы —

эритрозо-4-фосфат и ксилулозо-5-фосфат:

(7)

Еще одна молекула 3-фосфоглицеринового альдегида, синтези˝-

рованная в результате связывания второй молекулы СО2, изоме-

ризуется далее в реакции (4) в фосфодиоксиацетон, который з˝атем

соединяется с эритрозо-4-фосфатом, образуя седогептулозо-˝1,7-

296

дифосфат. Эту реакцию катализирует фермент трансальдолаза (2.2.1.2):

(8)

В следующей реакции происходит гидролиз седогептулозо-1,7˝-

дифосфата, который катализирует специфическая фосфатаза. В ходе реакции от седогептулозо-1,7-дифосфата отщепляется ос˝та-

ток фосфорной кислоты и таким образом осуществляется син˝тез

седогептулозо-7-фосфата:

(9)

После этого снова вступает в действие фермент транскетол˝аза, катализирующий перенос двууглеродного радикала с кетог˝руппой от седогептулозо-7-фосфата на 3-фосфоглицериновый альдеги˝д,

который синтезируется за счет связывания в первой реакци˝и цик-

ла Кальвина уже третьей молекулы СО2. Продукты реакции, ката-

лизируемой транскетолазой, — пятиуглеродные производные мо-

носахаридов ксилулозо-5-фосфат и рибозо-5-фосфат:

297

(10)

В последующих реакциях цикла Кальвина осуществляется из˝о- меризация фосфорнокислых производных пентоз, которая об˝ес-

печивает регенерацию первичного акцептора СО2 — рибулозо-1,5-

дифосфата. Образовавшиеся в реакциях (7) и (10) молекулы кси-

лулозо-5-фосфата превращаются в рибулозо-5-фосфат под действием фермента рибулозофосфатэпимеразы (5.1.3.1), который способен изменять на противоположную пространственную ˝ориентацию водорода и гидроксильной группы у третьего углер˝одно-

го атома пентозы:

(11)

298

Превращение рибозо-5-фосфата в рибулозо-5-фосфат катализирует фермент рибозофосфатизомераза (5.3.1.6):

(12)

Окончательную регенерацию первичного акцептора СО2 îñó-

ществляет фермент фосфорибулокиназа (2.7.1.19), катализирующий

фосфорилирование от АТФ рибулозо-5-фосфата:

(13)

В ходе указанных ранее 13 реакций происходит включение в состав углеводных производных трех молекул СО2 и потребление трех молекул первичного акцептора рибулозо-1,5-дифосфата, п˝ри

этом осуществляется синтез шести молекул 3-фосфоглицерин˝ово-

го альдегида, из которых пять затрачиваются на регенераци˝ю трех молекул рибулозо-1,5-дифосфата и одна молекула 3-фосфоглице-˝ ринового альдегида остается как продукт темновой стадии˝ фотосинтеза. Ее синтез сопряжен с использованием биоэнергети˝ческих

продуктов световой стадии фотосинтеза АТФ и НАДФ · Н.

Восстановленные динуклеотиды НАДФ · Н участвуют в реак˝- ции (3) цикла Кальвина, которая в ходе синтеза шести молекул˝

3-фосфоглицеринового альдегида повторяется 6 раз, следова˝тельно, в этих реакциях используется шесть молекул восстановл˝енных

динуклеотидов НАДФ · Н. АТФ участвует в реакции (2), котора˝я,

как и реакция (3), повторяется 6 раз, и в реакции (13), которая при˝

299

синтезе трех молекул первичного акцептора СО2 рибулозо-1,5-ди- фосфата повторяется 3 раза. Всего при связывании трех моле˝кул СО2 и восстановлении их до уровня 3-фосфоглицеринового альдегида потребляется девять молекул АТФ.

Однако 3-фосфоглицериновый альдегид не накапливается в хлоропластах, он используется для синтеза гексозы. Часть ˝молекул

3-фосфоглицеринового альдегида изомеризуется в фосфодио˝ксиацетон, который далее под действием альдолазы конденсиру˝ется с

оставшимися молекулами 3-фосфоглицеринового альдегида, и˝ таким образом осуществляется синтез фруктозо-1,6-дифосфата.

После гидролиза этого соединения с участием фруктозо-1,6-ди˝- фосфатазы образуется фруктозо-6-фосфат. Если учесть, что дл˝я

синтеза фруктозо-6-фосфата потребуется связывание шести м˝олекул СО2 в первой реакции цикла Кальвина и все вышеуказанные превращения, связанные с синтезом одной молекулы 3-фосфог˝ли- церинового альдегида, должны повториться еще раз, суммарн˝ое

уравнение темновой стадии фотосинтеза может быть записа˝но в следующем виде:

В опытах с использованием СО2, меченного 14С, было показано, что в течение 1—3 мин после экспозиции растений в атмосф˝е- ре 14ÑÎ2 все промежуточные продукты цикла Кальвина насыщаются меченым углеродом, а при более длительных экспозиция˝х 14С обнаруживается уже в составе сахарозы, крахмала, органи˝чес-

ких кислот, аминокислот, липидов, белков и других органиче˝ских веществ хлоропластов.

Следует отметить, что из всех реакций цикла Кальвина толь˝ко первая и последняя (13) специфичны для фотосинтезирующих клеток, тогда как другие реакции могут протекать в любых д˝ругих клетках и тканях фотосинтезирующих организмов в ходе син˝теза, распада и превращений углеводов. При этом промежуточные м˝е-

таболиты, образующиеся в цикле Кальвина, выводятся из это˝го

цикла и потребляются для синтеза различных органических˝ веществ в хлоропластах и листьях растений. Конечный продукт˝ цикла Кальвина фруктозо-6-фосфат также включается в биосинте˝ти-

ческие реакции, происходящие в фотосинтезирующих тканях, или

превращается в транспортные формы, которые по флоэме пост˝у-

пают в акцепторные органы растений.

300