6. Темновая фаза фотосинтеза

Продукты световой фазы фотосинтеза (АТФ и НАДФН) ис­пользуются в темновой фазе для восстановления СО₂ до уровня углеводов. Реакции восстановления происходят настолько бы­стро, что с помощью обычных методов химического анализа чрезвычайно трудно обнаружить промежуточные продукты и практически невозможно установить последовательность их пре­вращений. Только использование радиоактивных изотопов, в первую очередь ¹⁴С, хроматографии и электро­фореза позволило установить последовательность реакций при фотосинтезе, множественность путей метаболизма углерода. В настоящее время известны С₃- и С₄-пути фиксации СО₂, фото­синтез по типу толстянковых (САМ-метаболизм) и фотодыхание.

1. С3-путь фотосинтеза (цикл кальвина)

Этот способ ассимиляции СО₂, присущий всем растениям, был расшифрован американскими исследователями во главе с Мэльвином Кальвиным. Схема последовательности реакций по­лучила название цикла Кальвина. Характерной особенностью фотосинтетического восстановления СО₂ являются цикличность и разветвленность этого процесса. Цикличность обеспечивает высокую производительность, саморегуляцию и непрерывность образования углеводов. Разветвленность - образование разнооб­разных продуктов, дублирование путей регенерации акцептора СО₂. Цикл состоит из трех этапов: карбоксилирования, восста­новления и регенерации акцептора СО₂ (рис.).

Карбоксилирование. Первой реакцией, вводящей СО₂ в цикл Кальвина, является карбоксилирование рибулезо-1.5-дифосфата (1,5-РДФ) с участием фермента рибулезодифосфаткарбоксилазы (РДФ-карбоксилазы). Образующееся при этом нестойкое щести­утлеродное соединение быстро распадается на триозы - две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (З-ФГК). Поэтому З-ФГК можно считать первичным продуктом фотосинтеза.

Фаза восстановления. Восстановление 3-фосфоглицериновой кислоты (З-ФГК) до 3-фосфоглицеринового альдегида (3-ФГА) происходит в два этапа. Сначала при участии АТФ и фосфогли­цераткиназы З-ФГК присоединяет остаток фосфорной кислоты с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-ДФГК.) Этим достигается повышение реакционной способности соединения и возможность его восстановления с помощью НАДФ-Н до З-ФГА. Это единственная восстановительная реакция цикла. Фаза восстановления является центральным звеном цикла. Именно здесь скрещиваются световая и темновая фазы фотосинтеза. Все остальные превращения идут на уровне сахаров, одинаковых по степени восстановленности.

Фаза регенерации первичного акцептора СО₂ и синтеза конеч­ных продуктов фотосинтеза. В результате рассмотренных ранее реакций при фиксации трех молекул СО₂ образуются 6 молекул восстановленных 3-фосфотриоз, пять из них используются затем для регенерации РДФ, а 1- для синтеза глю­козы. Это достигается следующей последовательностью реакций. Часть молекул З-ФГА под действиеч триозофосфатизомеразы превращается в фосфодиоксиацетон (ФДА). Затем два изомера (ФГА и ФДА) полвергаются конденсации при участии фермента альдолазы, образуя фруктоза-1,6-дифосфат, у которого затем от­щепляется один фосфат.

В дальнейших реакциях, связанных с регенерацией акцептора СО₂, возникает цепь фосфорных эфиров сахаров, содержащих в своем составе 4, 5 или 7 атомов углерода. В этих реакциях последовательно принимают участие транскето­лазы и трансальдолазы. Транскетолаза катализирует перенос 2-угле­родной группировки от фруктоза-6-фосфата на З-ФГА, при этом образуются эритрозо-4-фосфат (С₄) и ксилулозо-5-фосфат (С₅). Затем альдолаза осуществляет перенос 3-углеродного остатка ФДА на эритрозо-4-фосфат, в результате чего синтезируется седо­гептулозо-1.7-дифосфат (С₇). От последнего отщепляется один остаток фосфорной кислоты и под действием транскетолазы из него и З-ФГА образуются ксилулозо-5-фосфат (С₅) и рибозо-5­-фосфат (С₅). Две молекулы ксилулозо-5-фосфата путем эпимери­зации и одна молекула рибозо-5-фосфата за счет изомеризации превращаются в три молекулы рибулозо-5-фосфата (С₅). Это соединение подвергается фосфорилированию за счет АТФ, образующейся в световую фазу.

Из оставшейся неиспользованной молекулы ФГА при повторении цикла образуется фруктоза-1,6-дифосфат, из которой могут образовываться глюкоза, сахароза и крахмал.

Таким образом, для синтеза одной молекулы ГЛЮКОЗЫ (С₆) должно произойти шесть оборотов цикла. В каждом обороте используются 3 мол. АТФ (две для активирования двух молекул ФГК и одна при регенерации акцептора СО₂ 1,5-­РДФ) и две молекулы НАДФН для восстановления ФГК до ФГА. Поэтому для синтеза одной молекулы глюкозы в цикле Кальвина необходимо 12 НАДФН и 18 АТФ. Таков энергетичес­кий вклад световой фазы в темновую фиксацию СО₂.

В цикле Кальвина первичными продуктами включення СО₂ в органические вещества н восстановления являются трехуглерод­ные соединения (З-ФГК, З-ФГА, ФДА). Поэтому этот способ фиксации СО₂ носит название С₃-пути фотосинтеза. Большинст­во растений, особенно произрастающих в умеренной зоне, ис­пользуют именно этот путь восстановления СО₂ и называются С₃-растениями.