Т е м н о в а я ф а з а ф о т о с и н т е з а

Темновые реакции фотосинтеза осуществляются в строме хлоропласта, куда поступают АТФ и НАДФ·Н₂ от тилакоидов гран и СО₂ из воздуха. Кроме этих соединений в строме постоянно находятся пятиуглеродные соединения – пентозы, которые образуются в цикле фиксации СО₂.

Сущность темновых реакций процесса фотосинтеза была раскрыта американским биохимиком и физиологом М. Кальвиным (1946-1956гг). Он выдвинул предположение, что в хлоропластах имеется какое-то вещество-акцептор, которое взаимодействуя с СО₂ образует фосфоглицериновую кислоту (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. В отсутствии СО₂ 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.

Темновые реакции фотосинтеза Кальвин представил как разветвленный цикл, который впоследствии был назван циклом Кальвина.

Цикл Кальвина можно разделить на три фазы: карбоксилирования, восстановления и регенерации.

 

1. К а р б о к с и л и р о в а н и е. Молекулы рибулозо-5-фосфата фосфорилируются с участием АТФ и фосфорибулозокиназы, в результате чего образуются молекулы рибулезо-1,5-дифосфата, к которым присоединяется СО₂ с помощью рибулезодифосфаткарбоксилазы. Образуется нестойкое шестиуглеродное соединение, которое расщепляется на две триозы: 2 молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (3- ФГК).

 

СН₂О (Р)

|

СО СООН

| |

3 СНОН + 3СО₂ + 3Н₂О → 6СНОН

| |

СНОН СН₂О (Р)

|

СН₂О (Р)

РДФ ФГК

 

2. Ф а з а в о с с т а н о в л е н и я. Дальнейшие превращения ФГК требуют участия продуктов световой фазы фотосинтеза: НАДФ·Н₂ и АТФ. 3-ФГК восстанавливается до 3-фосфоглицеринового альдегида (3-ФГК) в два этапа. Сначала происходит фосфорилирование 3-ФГК при участии АТФ и фосфоглицераткиназы до 1,3-дифосфоглицириновой кислоты (1).

1.СООН СОО ~ (Р)

| |

6 СНОН + 6АТФ → 6 СНОН + 6АДФ

| |

СН₂О (Р) СН₂О (Р)

 

ФГК 1,3-ди ФГК

Образовавшееся в этой реакции соединение – дифосфоглицериновая кислота – обладает более высокой реакционной способностью, содержит макроэргическую связь. Затем карбоксильная группировка этого соединения восстанавливается до альдегидной с помощью триозофосфатдегидрогеназы, коферментом которой является НАДФ·Н₂ (2).

2. СОО ~ (Р) СНО

| |

6 СНОН + 6НАДФ ·Н₂ → 6СНОН + 6Н₃РО₄ + 6НАДФ

| |

СН₂О (Р) СН₂О (Р)

 

1,3-диФГК ФГА

 

Образовавшийся фосфоглицериновый альдегид претерпевает ряд превращений. Из шести молекул ФГА пять идут на регенерацию акцептора – рибулезодифосфата, а одна выходит из цикла, т.е. используется для синтеза глюкозы.

 

3. Ф а з а р е г е н е р а ц и и. Это фаза регенерации первичного акцептора и синтеза конечного продукта фотосинтеза. В этом процессе участвует пять молекул ФГА, в результате чего образуются три молекулы рибулезо-5-фосфата. Первая молекула 3- ФГА под действием триозофосфатизомеразы изомеризуется до фосфодиоксиацетона (ФДА).

ФДА при участии альдолазы взаимодействует со второй молекулой 3- ФГА с образованием фруктозо-1,6-дифосфата (ФДФ). От ФДФ с помощью фруктозо-1,6-дифосфатазы отщепляется фосфат – образуется фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф). От Ф-6-Ф отщепляется 2-углеродный фрагмент (-СО-СН₂ОН), который переносится на 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), который взаимодействует с четвертой триозой с образованием седогептулезодифосфата (С₇). Седогептулезодифосфат дефосфорилируется, после чего он превращается в седогептулезофосфат. Затем снова происходит транскетолазная реакция – от седогептулезофосфата отщепляется 2-углеродный фрагмент, который переносится на пятую триозу. Образуются еще 2 молекулы рибулезофосфата.

Таким образом, в цикле Кальвина образуются три молекулы рибулезо-5-фосфата, с которых начинается новый цикл фиксации СО₂.

Из оставшейся шестой неиспользованной молекулы триозы – 3-ФГА под действием альдолазы синтезируется (при повторении цикла) молекула фруктозо-1,6-дифосфата, из которой могут образоваться глюкоза, сахароза или крахмал. Общее суммарное уравнение двух циклов имеет следующий вид:

 

6РДФ + 6СО₂ + 18АТФ + 12НАДФ·Н₂ → 6РДФ + глюкоза + 18Фн + 18АДФ + 12НАДФ

 

Таким образом, для восстановления шести молекул СО₂ до уровня углеводов (глюкозы) в цикле Кальвина требуется 12НАДФ·Н₂ и 18АТФ, которые предоставляются в результате фотохимических реакций фотосинтеза.

 

Все реакции входящие в цикл Кальвина представлены на рис.10.

 

 

	Рис.10. Цикл Кальвина: 1-фосфорибулозокиназа, 2- рибулозодифосфаткарбоксилаза,3-фосфоглицераткиназа, 4-триозофосфатдигидрогеназа, 5-триозофосфатизомераза, 6-альдолаза, 7-фосфатаза, 8-транскетолаза, 9-альдолаза, 10-фофатаза, 11-транскетолаза, 12-рибозофосфатизомераза, 13-фосфокетопентоэпимераза