4. Цикл кальвіна

Послідовність реакцій шляху С₃ визначена Кальвіном і співробітниками у 1946 – 1953 рр. У своїх дослідженнях Кальвін використовував радіоактивний ізотоп вуглецю і паперову хроматографію. Через 5 секунд було виявлено перший продукт фотосинтезу, ним виявилася фосфогліцеринова кислота з трьома вуглецевими атомами. Звідси друга назва циклу Кальвіна – шлях С₃. Кальвін з’ясував увесь ланцюг і послідовність ферментативних перетворень цих сполук і виділив при цьому три етапи: карбоксилювання, відновлення і регенерація, які відбуваються у стромі хлоропластів. Енергія, яка забезпечує цикл Кальвіна, постачається у формі АТФ і НАДФ∙Н₂, утворених у світлових реакціях.

Основна реакція циклу Кальвіна та, в якій бере участь СО₂. вихідна сполука циклу Кальвіна – п’ятивуглецевий цукор з двома фосфатними групами – рибулозо-1,5-дифосфат.

Процес карбоксилювання починається тоді, коли СО₂ входить у цикл і фіксується на рибулозо-1,5-дифосфаті. В результаті утворюється нестійкий проміжний продукт – цукор з шістьма атомами вуглецю, який відразу розкладається на дві молекули 3-фосфогліцеринової кислоти (ФГК). ФГК є першим продуктом фотосинтезу.

СН2ОР

СН2ОР

С

О

Н

С

ОН

Н

С

ОН

НО

С

О

С О2

(С6)

Н 2О

+

Н

С

ОН

НО

С

О

СН2ОР

Н

С

ОН

Рибулозо-1,5-дифосфат

СН2ОР

3 фосфогліцеринова кислота

Цей найважливіший етап карбоксилювання каталізує фермент рибулозо-1,5-дифосфат-карбоксилаза-оксигеназа (РБФ-карбоксилаза). Вона знаходиться в стромі хлоропластів, її кількість становить 15% загальної кількості білка хлоропласту. Для здійснення каталітичної дії РБФ-карбоксилаза потребує присутності іонів Mg²⁺. Фермент складається з 8 великих і 8 малих субодиниць, які організовані в єдину структуру. Крім карбоксилазної активності фермент володіє також оксигеназною активністю, яку і проявляє у процесі фото дихання. Цей процес регулюється концентрацією кисню в повітрі.

Далі 3 - фосфогліцеринова кислота фосфорилюється з утворенням 1,3 – дифосфогліцеринової кислоти. Фосфорилювання відбувається за рахунок АТФ, синтезованого у світловій фазі фотосинтезу, за участю фермента фосфогліцераткінази.

СООН

О

Н

С

ОН

фосфогліцераткіназа

С

ОР

+

АТФ

СН2ОР

Н

С

ОН

3 - ФГК

СН2ОР

1,3 – дифосфогліцеринова кислота

+ АДФ

Наступний етап відновлення 1,3 – ДФГК за участю НАДФ∙Н₂ – продукта світлової фази фотосинтезу, відновлюється до 3 – фосфогліцеринового альдегіду.

О

СНО

С

ОР

триозофосфат

Н

С

ОН

+

НАДФ∙Н2

+

НАДФ+

+

Н3РО4

Н

С

ОН

дегідрогеназа

СН2ОР

СН2ОР

1,3 - ФГК

3ФГА

Карбоксильна група СООН відновлюється до альдегідної групи СНО. Цю реакцію каталізує фермент гліцеральдегід–3–фосфат–дегідрогеназа. 3–фосфогліцеринів альдегід – це перший цукор, який утворюється при фотосинтезі. Як тільки утворився 3 – фосфогліцеринів альдегід, фотосинтез закінчується, бо усі подальші реакції відбуваються і в нефотосинтезуючих організмах. Утворені молекули 3-ФГА у циклі Кальвіна використовуються різними способами. 1/6 частина їх витрачається на синтез вуглеводів, серед яких переважають крохмаль і сахароза, 5/6 – йде на регенерацію рибулозодифосфату – первинного акцептора СО₂. При використанні для синтезу вуглеводів молекула 3-ФГА ізомеризується в фосфодиоксиацетон. Цю реакцію каталізує фермент триозофосфатізомераза. Потім 2 триози-3-фосфогліцеринового альдегіду і фосфодиоксиацетону об’єднуються і утворюється цукор, яким є фруктозо-1,6-дифосфат, каталізує цю реакцію фермент фруктозодифосфатальдолаза. Утворений фруктозо-1,6-дифосфат дефосфорилюється і з’являється фруктозо-6-фосфат. Фосфатну групу відщеплює фермент фруктозодифосфат, а за допомогою ферменту глюзофосфатізомерази із фруктозо-6-фосфату утворюється глюкозофосфат. Таким чином з’являються моно фосфати глюкози і фруктози, з яких потім утворюється 2 основних вуглеводи – сахароза і крохмаль.

Для безперебійної фіксації СО₂ необхідна постійна регенерація акцептора СО₂ – рибулозодифосфату. Тому цикл Кальвіна замикає фаза регенерації. Регенерація – це складний цикл, в якому беруть участь цукрофосфати з 3,4,5,6,7 атомами вуглецю. У результаті багатьох реакцій утворюється рибулозо – 5 – фосфат. На його фосфорилювання витрачається решта АТФ, яке було синтезоване при фотофосфорилюванні у світловій фазі фотосинтезу. Регенерується вихідна сполука циклу Кальвіна рибулозо-1,5-дифосфат. По суті, рибулозо-1,5-дифосфат знову зазнає карбоксилювання і пройшовши ряд перетворень знову регенерується. У кожному оберті цього циклу 1 молекула СО₂ відновлюється, а молекула рибулозодифосфату регенерується. Для утворення глюкози необхідно 6 обертів циклу з поглинанням 6 атомів вуглецю. Сумарне рівняння синтезу глюкози у циклі Кальвіна записується так:

6 СО₂ + 12НАДФ∙Н₂ + 18АТФ 1 глюкоза + 12НАДФ + 18АДФ + 6Н₂О+18Ф_н

Дослідження показали, що у циклі Кальвіна світло також необхідне, бо воно активізує ряд ферментів, серед них: рибулозо-дифосфаткарбоксилазу, гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназу, фруктозодифосфатазу. Включення і виключення світла викликає переміщення протонів та іонів Мg²⁺ з внутрішнього простору тилакоїду у строму і навпаки. Ці зміни концентрації іонів у стромі допомагають активізувати вищезгадані ферменти. Цей шлях характерний для більшості рослин, у першу чергу дводольних.

Фруктозо-1,6-дифосфат

крохмаль

АТФ

Рибулозо-5-фосфат