Восстановление СО₂ есть результат переноса электронов на СО₂. В ходе этого переноса некоторые из связей С–О заменяются на связи С–Н, С–С и О–Н. Процесс состоит из ряда этапов, часть которых (15 или более) образует цикл. Этот цикл был открыт в 1953 химиком М.Калвином и его сотрудниками. Использовав в своих опытах вместо обычного (стабильного) изотопа углерода его радиоактивный изотоп, эти исследователи смогли проследить путь углерода в изучаемых реакциях. В 1961 Калвин был удостоен за эту работу Нобелевской премии по химии.

В цикле Калвина участвуют соединения с числом атомов углерода в молекулах от трех до семи. Все компоненты цикла, за исключением одного, представляют собой сахарофосфаты, т.е. сахара, у которых одна или две ОН-группы заменены на фосфатную группу (–ОРО₃Н^–). Исключение составляет 3-фосфоглицериновая кислота (ФГК; 3-фосфоглицерат), представляющая собой фосфат сахарной кислоты. Она сходна с фосфорилированным трехуглеродным сахаром (глицерофосфатом), но отличается от него тем, что имеет карбоксильную группу O=C–O^–, т.е. один из ее углеродных атомов соединен с атомами кислорода тремя связями.

Начать описание цикла удобно с рибулозомонофосфата, содержащего пять атомов углерода (C₅). Образующийся в световой стадии АТФ реагирует с рибулозомонофосфатом, превращая его в рибулозодифосфат. Вторая фосфатная группа придает рибулозодифосфату дополнительную энергию, поскольку несет в себе часть энергии, запасенной в молекуле АТФ. Поэтому тенденция реагировать с другими соединениями и образовывать новые связи выражена у рибулозодифосфата сильнее. Именно этот C₅-сахар присоединяет CO₂ с образованием шестиуглеродного соединения. Последнее очень неустойчиво и под действием воды распадается на два фрагмента – две молекулы ФГК. Если иметь в виду только изменение числа атомов углерода в молекулах сахаров, то этот основной этап цикла, в котором происходит фиксация (ассимиляция) CO₂, можно представить следующим образом:

Фермент, катализирующий фиксацию CO₂ (специфическая карбоксилаза), присутствует в хлоропластах в очень больших количествах (свыше 16% от общего содержания в них белка); учитывая огромную массу зеленых растений, он, вероятно, является самым распространенным белком в биосфере. Следующий этап состоит в том, что две молекулы ФГК, образовавшиеся в реакции карбоксилирования, восстанавливаются каждая за счет одной молекулы НАДФЧН до трехуглеродного сахарофосфата (триозофосфата). Это восстановление происходит в результате переноса двух электронов на углерод карбоксильной группы ФГК. Однако и в данном случае необходим АТФ, чтобы снабдить молекулу дополнительной химической энергией и повысить ее реакционную способность. Задачу эту выполняет ферментная система, которая переносит концевую фосфатную группу АТФ на один из атомов кислорода карбоксильной группы (образуется группа ), т.е. ФГК превращается в дифосфоглицериновую кислоту.

Как только НАДФЧН передает углероду карбоксильной группы этого соединения один атом водорода плюс электрон (что равноценно двум электронам плюс ион водорода, Н⁺), одинарная связь С–О разрывается и связанный с фосфором кислород переходит в неорганический фосфат, HPO₄^2–, а карбоксильная группа O=C–O^– превращается в альдегидную O=C–H. Последняя характерна для определенного класса сахаров. В итоге ФГК при участии АТФ и НАДФЧН восстанавливается до сахарофосфата (триозофосфата).

Весь описанный выше процесс может быть представлен следующими уравнениями:

1) Рибулозомонофосфат + АТФ ® Рибулозодифосфат + АДФ

2) Рибулозодифосфат + СО₂ ® Нестойкое С₆-соединение

3) Нестойкое С₆-соединение + Н₂О ® 2 ФГК

4) ФГК + АТФ + НАДФЧН ® АДФ + H₂PO₄^2– + Триозофосфат (С₃).

Конечным результатом реакций 1–4 оказывается образование из рибулозомонофосфата и СО₂ двух молекул триозофосфата (С₃) с затратой двух молекул НАДФЧН и трех молекул АТФ. Именно в этой серии реакций представлен весь вклад световой стадии – в форме АТФ и НАДФЧН – в цикл восстановления углерода. Разумеется, световая стадия должна дополнительно поставлять эти кофакторы для восстановления нитрата и сульфата и для превращения ФГК и триозофосфата, образуемых в цикле, в другие органические вещества – углеводы, белки и жиры.

Значение последующих этапов цикла сводится к тому, что они приводят к регенерации пятиуглеродного соединения, рибулозомонофосфата, необходимого для возобновления цикла. Эту часть цикла можно записать в следующем виде:

что дает в сумме 5С₃ ® 3С₅. Три молекулы рибулозомонофосфата, образовавшиеся из пяти молекул триозофосфата, превращаются – после присоединения CO₂ (карбоксилирования) и восстановления – в шесть молекул триозофосфата.

Таким образом, в результате одного оборота цикла одна молекула диоксида углерода включается в состав трехуглеродного органического соединения; три оборота цикла суммарно дают новую молекулу последнего, а для синтеза молекулы шестиуглеродного сахара (глюкозы или фруктозы) необходимы две трехуглеродные молекулы и соответственно 6 оборотов цикла. Прирост органического вещества цикл отдает реакциям, в которых образуются различные сахара, жирные кислоты и аминокислоты, т.е. «строительные блоки» крахмала, жиров и белков.

Тот факт, что прямыми продуктами фотосинтеза являются не только углеводы, но также аминокислоты, а возможно и жирные кислоты, тоже был установлен с помощью изотопной метки – радиоактивного изотопа углерода. Хлоропласт – это не просто частица, приспособленная для синтеза крахмала и сахаров. Это весьма сложная, прекрасно организованная «фабрика», способная не только производить все материалы, из которых построена она сама, но и снабжать восстановленными соединениями углерода те части клетки и те органы растения, которые сами фотосинтеза не ведут.

назад