Хімізм реакції циклу кальвіна

Виявилося, що після експозиції протягом 1 хв 14С включався в С3 -С7-цукру і фосфосахара, в органічні кислоти (яблучну, щавлевооцтову, ФЕП), в амінокислоти (аланін, аспарагінову кислоту). Якщо ж час експозиції було скорочено до 0,1-2 с, то велика частина мітки виявлялася в фосфоглицериновой кислоті, в її карбоксильної групі.

Отже, 3-фосфогліцеріновая кислота (ФГК) є первинним продуктом фотосинтезу.

Природа первинного акцептора С02. Спочатку припустили, що таким акцептором є якесь двухуглеродний з'єднання. Однак введення в інкубаційного середовища вінілфосфата, фосфоглікольальдегіда і інших речовин з С2 не приводило до збільшення вмісту радіоактивності з С02 в ФГК. Тоді схему досвіду видозмінили наступним чином. Водорості експонували на світлі при високій (1% -ний) концентрації С02, потім різко знижували його концентрацію до 0,003%. Розрахунок був на те, що в умовах дефіциту С02 швидко накопичиться саме те з'єднання, яке служить акцептором С02. За допомогою двовимірної хроматографії вдалося встановити, що при відсутності можливості карбоксилирования в клітинах короткочасно зростає концентрація рибулозо-1,5-дифосфата (рибулозо-1,5-бісфосфат). Звідси виникло припущення, що первинна фіксація С02 відбувається наступним чином. С5 + С02-> С6-► 2С3. Для перевірки цієї гіпотези в безклітковий екстракт з листя шпинату або клітин хлорели вносили мічений по 32Р рибулозо-1,5-дифосфат. На світлі в екстракті з'являлася радіоактивна ФГК.

На підставі отриманих даних процес первинної фіксації С02 можна записати в такий спосіб:

Ця реакція каталізується рібулозодіфосфаткарбоксілазой (рибулозобісфосфаткарбоксилаза; інші назви - білок фракції I, карбоксідісмутаза). Максимум активності фермент має при рН 7,8 - 8,0 і потребує присутності іонів Mg2 +.

Подальша робота в лабораторії Кальвіна і в інших лабораторіях привела до розшифровки всіх наступних реакцій С3-шляху фотосинтезу, який отримав назву циклу Кальвіна. Цей цикл, який дуже нагадує звернений пентозофосфатний шлях дихання, складається з трьох етапів: карбоксилирования, відновлення і регенерації.

1. Карбоксилювання. Молекули рибулозо-5-фосфату фосфорилюються за участю АТР і фосфорібулозокінази, в результаті чого утворюються молекули рибулозо-1,5-дифосфата, до яких в свою чергу приєднується С02 за допомогою рібулозодіфосфаткарбоксілази. Отриманий продукт розщеплюється на дві тріози: 2 молекули 3-фосфо-гліцеринової кислоти (3-ФГК).

2. Фаза відновлення. 3-ФГК відновлюється до 3-фосфогліцерінового альдегіду (3-ФГА) в два етапи. Спочатку відбувається фосфорилювання 3-ФГК за участю АТФ і фосфогліцераткинази до 1,3-дифосфогліцеринової кислоти, а потім відновлення 1,3-ФГК за допомогою НАДФH і дегідрогенази фосфогліцерінового альдегіду.

3. Фаза регенерації первинного акцептора діоксиду вуглецю і синтезу кінцевого продукту фотосинтезу. В результаті описаних вище реакцій при фіксації трьох молекул С02 і утворенні шести молекул відновлених 3-фосфотріоз п'ять з них використовуються потім для регенерації рибулозо-5-фосфату, а один - для синтезу глюкози. 3-ФГА під дією тріозофосфатізомерази изомеризуется в фосфодіоксиацетон. За участю альдолази 3-ФГА і фосфодіоксиацетон конденсуються з утворенням фруктозо-1,6-дифосфата, у якого відщеплюється один фосфат за допомогою фруктозо-1,6-дифосфатази. У подальших реакціях, пов'язаних з регенерацією первинного акцептора С02, послідовно беруть участь транскетолаза і альдолаза. Транскетолаза каталізує перенесення містить два вуглецю гликолевого альдегіду від кетози на адьдозу:

Альдолаза потім здійснює перенесення трехуглеродного залишку фосфодіоксиацетон на альдозами, в даному випадку еритроза-4-фосфат, в результаті чого синтезується сьодо-гептулозо-1,7-дифосфат. Останній дефосфорилюється і під дією транскетолази з нього і 3-ФГА утворюються ксилулозо-5-фосфат і рибоза-5-фосфат. Дві молекули ксилулозо-5-фосфату за участю рібулозофосфатепімерази і одна молекула рибоза-5-фосфату за участю рібозофосфатізомерази перетворюються в три молекули рибулозо-5-фосфату, з якого починається новий цикл фіксації С02.

З залишилася невикористаною 6-ий молекули 3-ФГА під дією альдолази синтезується (при повторенні циклу) молекула фруктозо-1,6-дифосфата, з якої можуть утворюватися глюкоза, сахароза або крохмаль:

Таким чином, для синтезу однієї молекули глюкози в циклі Кальвіна необхідні 12 NADPH і 18 АТР, які поставляються в результаті фотохімічних реакцій фотосинтезу.

11. Хімізм реакцій асиміляції С # 8324; рослин. Цикл Хетча-Слек-Карпілова. САМ-метаболізм органічних кислот

У роботах Л. А. Незговорова (1956-1957 рр.), Було встановлено, що при коротких експозиціях листя кукурудзи на світлі 14С з 14С02 виявляється в аспарагінової кислоти. У подальших дослідженнях як радянських, так і зарубіжних фахівців ці уявлення були розвинені, що призвело до відкриття C4-nymu вуглецю в фотосинтезі. Так, в 1960 р Ю. С. КАРПИЛОВ, а в 1963 р І. А. Тарчевский і Ю. С. КАРПИЛОВ представили дані про ранній освіті яблучної кислоти в листі кукурудзи. Г. П. Корчак та ін. Вперше показали, що дикарбонові кислоти (яблучна і аспарагінова) є первинними продуктами фіксації С02 у цукрової тростини. Потім ці з'єднання через 3-ФГК і гексозофосфат перетворюються в цукру. Як новий тип фіксації С02, що принципово відрізняється від циклу Кальвіна, цей цикл вперше описали австралійські вчені М. Д. Хетч і, К. Р. Слек (1966). До групи рослин з С4-шляхом фотосинтезу відносяться цукрова тростина, кукурудза, сорго та ін. Листя цих рослин містять два різних типи хлоропластів: хлоропласти звичайного вигляду - в клітинах мезофіла і велика кількість великих хлоропластів, часто не мають гран, - в клітинах, що оточують провідні пучки (обкладка). С02, дифундує в лист через продихи, потрапляє в цитоплазму клітин мезофіла, де за участю ФЕП-карбоксилази вступає в реакцію з ФЕП, утворюючи щавлевооцтову кислоту (оксалоацетат). Потім вже в хлоропластах оксалоацетат відновлюється до яблучної кислоти (малата) за рахунок NADPH, що утворює в ході світлової фази фотосинтезу.

Щавлевооцетова кислота в присутності NH4 + може перетворюватися також у аспартат. Потім малат (або аспартат) переноситься в хлоропласти клітини обкладки судинного пучка, де він декарбоксилируется малик-ензимом (малатдегідрогеназа декарбоксилируется) до пірувату і С02.

У хлоропластах обкладки відсутні грани, а отже, слабо представлена ​​ФС II, необхідна для нециклічного транспорту електронів, однак в них в достатній кількості накопичується крохмаль. Пояснюється це тим, що в хлоропластах обкладки використовується поставляється малик-ензимом НAДФH, а також той С02, який утворився при окислювальному декарбоксилюванні малата (або аспартату). У цих хлоропластах в процесі циклічного фотофосфорилування синтезується велика кількість АТР і фіксація С02 здійснюється за типом циклу Кальвіна. У деяких рослин з С4-шляхом фотосинтезу (амарант, лобода) яблучна кислота декарбоксилируется в мітохондріях клітин обкладки з відновленням NAD.

Виникає при розщепленні малата в хлоропластах клітин обкладки піруват переміщається назад в хлоропласти клітин мезофіла, де може знову перетворюватися в первинний акцептор С02 - ФЕП. Така компартментація процесів дозволяє рослинам з С4-шляхом здійснювати фотосинтез навіть при закритих продихи, так як хлоропласти клітин обкладки використовують малат (аспартат), що утворився раніше, як донор С02. С4-рослини можуть також використовувати С02, що виникає при Фотодихання. Закривання устьічних отворів в найбільш спекотний час дня скорочує втрати води за рахунок випаровування (транспірації). Не дивно тому, що до С4-рослин належать багато видів посушливої ​​тропічної зони. Рослини з С4-шляхом фотосинтезу, як правило, стійкі до засолення. Ефективність використання води, т. Е. Ставлення маси асимільованого С02 до маси води, витраченої при транспірації, у С4-рослин часто вдвічі вище, ніж у С3-рослин. Таким чином, С4-рослини мають переваги перед С3-рослинами в посушливих місцях проживання завдяки високій інтенсивності фотосинтезу навіть при закритих продихи. Фіксація С02 за участю ФЕП і освіту малата (аспартату) служить як би насосом для поставки С02 в хлоропласти обкладки, що функціонують за С3-шляху.