Основы биохимии Том 2 - А. Ленинджер 1985

Биоэнергетика и метаболизм
Фотосинтез
Глюкоза образуется из СО2 в цикле Кальвина

Реакции, о которых дают представление рис. 23-17 и 23-19, могут объяснить нам реальное превращение СО₂ лишь в один из шести углеродных атомов глюкозы. Каким же образом получаются из СО₂ еще пять углеродных атомов глюкозы? В поисках ответа на этот вопрос Кальвин с сотрудниками постулировали существование сложного циклического механизма, обеспечивающего полный биосинтез глюкозы, т. е. образование всех ее шести углеродных атомов из двуокиси углерода (рис. 23-20). В цикле Кальвина на каждую фиксированную молекулу СО₂ потребляется одна молекула рибулозо-1,5-дифосфата, которая, однако, регенерирует в конце цикла. Здесь, следовательно, перед нами тот же химический «трюк», что и в цикле лимонной кислоты или в цикле мочевины: оба они, как мы помним, завершаются регенерацией соединения, использованного на первом этапе цикла, т. е. оксалоацетата в цикле лимонной кислоты (разд. 16.3) и орнитина в цикле мочевины (разд. 19.17). На рис. 23-21 приведены в виде сбалансированных уравнений отдельные реакции, из которых слагается цикл Кальвина. Семь этапов в этом цикле [реакции (2)-(8)] совпадают с этапами глюконеогенеза в животных тканях (гл. 20). Единственное различие заключается в том, что в процессе фотосинтеза восстановителем при образовании глицеральдегид-3-фосфата служит не NADH, a NADPH. Остальные реакции (рис. 23-21) катализируются шестью дополнительными ферментами. Для лучшего понимания этого сложного процесса общее уравнение цикла Кальвина удобно записать в следующем виде:

6Рибулозо-1,5-дифосфат + 6СО₂ +

+ 18АТР + 12Н₂О + 12NADPH +

+ 12Н⁺→6Рибулозо-1,5-дифосфат +

+ Глюкоза + 18Р_і + 18ADP +

+ 12NADP⁺.

Рис. 23-20- Цикл Кальвина превращение СО₂ в D-глюкозу в процессе фотосинтеза. Вступающая в цикл СО₂и конечный продукт, глюкоза, показаны на красном фоне. Все прочие соединения, вступающие в цикл или выходящие из него, обведены рамкой. Сбалансированные уравнения реакций см. на рис. 23-21. 3ФГ-3-фосфоглицерат; Г3Ф - глицеральдегид-3-фосфат; ДГАФ - дигидроксиацетонфосфат; ФДФ фруктозо-1,6-дифосфат; Ф6Ф-фруктозо-6-фосфат; Г6Ф глюкозо-6-фосфат; Э4Ф - эритрозо-4-фосфат; Кс5Ф - ксилулозо-5-фосфат; СДФ - седогептулозо-1,7-дифосфат; С7Ф - седогептулозо-7-фосфат; Р5Ф рибозо-5-фосфат; Ру5Ф - рибулозо-5-фосфат; РуДФ - рибулозо-1,5-дифосфат.

Рибулозо-1,5-дифосфат вписан здесь в обе части уравнения, чтобы показать, что это необходимый компонент, регенерирующий в конце каждого цикла. Убрав его в обеих частях уравнения, мы получим суммарное уравнение цикла Кальвина

6СО₂ + 18АТР + 12Н₂О + 12NADPH +

+ 12Н⁺→ С₆Н₁₂О₆ + 18Р_і + I8ADP + 12NADP⁺

Рис. 23-21. Сбалансированные уравнения реакций для превращения СО₂ в глюкозу (рамка) в цикле Кальвина. В реакциях с (1) по (8) образуется глюкоза, а в реакциях с (9) по (15) регенерирует рибулозо-1,5-дифосфат.

На синтез каждой молекулы глюкозы из шести молекул СО₂ расходуются 18 молекул АТР и 12 молекул NADPH, восполняемые затем за счет световых реакций фотосинтеза.

Рассмотрим теперь последовательные реакции цикла Кальвина (рис. 23-21). Реакции (1)—(8) приводят к образованию глюкозы из СО₂ и рибулозо-1,5-дифосфага. Реакции (9) (15) связаны с регенерацией рибулозо-1,5-дифосфата, которая необходима для того, чтобы мог начаться новый оборот цикла Кальвина. Реакция (9) катализируется транскетолазой. Mg²⁺-зависимым ферментом, у которого простетической группой является гиаминпирофосфат. Транскетолаза катализирует обратимый перенос кетоловой (СН₂ОН-СО-) группы от кетозофосфата. в данном случае от фруктозо-6-фосфата, на альдозофосфат, в данном случае на глицеральдегид-3-фосфат (рис. 23-22). В реакции (10) участвует альдолаза; она катализирует обратимую конденсацию альдегида, в данном случае эритрозо-4-фосфата, с дигидроацетонфосфатом, в результате чего образуется семиуглеродное соединение седогептуло-30-1,7-дифосфат (рис. 23-23). От седогептулозо-1,7-дифосфата отщепляется фосфатная группа в положении 1, и образовавшийся седогептулозо-7-фосфат вступает в еще одну транскетолазную реакцию. Продуктами этой реакции являются два разных пентозофосфата, которые в конечном счете и превращаются в рибу лозо-1,5-дифосфат.

Рис. 23-22. Транскетолазная реакция. Этот фермент, которому для проявления активности требуются тиаминпирофосфат и ионы Mg²⁺, катализирует обратимый перенос кетоловой группы (выделена красным) с кетозофосфата на альдозофосфат.

Все реакции, перечисленные на рис. 23-21, за исключением первой, катализируемой рибулозодифосфат-карбоксилазой, свойственны также и животным тканям. Из-за отсутствия рибулозодифосфат-карбоксилазы организм животных не способен осуществлять реальное превращение СО₂ в глюкозу. Растения, у которых на первом этапе фиксации СО₂ участвует рибулозодифосфат-карбоксилаза, называются С₃-растениями. потому что СО₂ включается у них в трехуглеродное соединение.

Рис. 23-23. Образование седогептулозо-1,7-дифосфата, катализируемое альдолазой. Этот фермент катализирует реакции конденсации различных альдегидов с дигидроксиацетон-фосфатом.