6.6. Темнова стадія. Метаболізм вуглецю при фотосинтезі

Відновлення вуглецю до вуглеводів відбувається за допомогою енергії АТР і “відновлювальної сили” – НАДР_*Н₂, без прямої участі сонячного світла і має назву темнової стадії фотосинтезу.

6.6.1. Цикл Кальвіна. С3 – шлях фотосинтезу

Ця стадія фотосинтезу була детально вивчена у 1946–1956рр. американським біохіміком М. Кальвіном з співробітниками яка відома також під назвою циклу Кальвіна.

Прослідкувати весь цикл реакцій темнової стадії фотосинтезу стало можливим завдяки використанню у наукових дослідженнях радіоактивного вуглецю у поєднанні з паперовою хроматографією.

Слід нагадати, що принцип хроматографії розробив і вперше використав у біохімічних дослідженнях російський учений М.С. Цвєт.

У дослідах американських учених з міченою вуглекислотою вже через 2 с після введення цієї сполуки у суспензію водорості хлорели або хлоропластів, радіоактивний вуглець виявили у 3-фосфогліцериновій кислоті (ФГК). Дещо пізніше (через 7 с) радіоактивна мітка локалізувалася у монофосфатах і дифосфатах цукрів. Це дало підставу стверджувати, що первинними продуктами фотосинтезу є фосфогліцеринова кислота, а акцептором СО₂ – рибулозо-1,5-біфосфат (РБФ).

Приєднання вуглекислоти до акцептора і подальші перетворення її до цукрів мають складний характер, вимагають участі енергії і певних ферментів і відбуваються у три послідовні етапи: 1) карбоксилювання акцептора; 2) відновлення вуглекислого газу; 3) регенерація рибулозобіфосфату.

Перший етап полягає у приєднанні СО₂ до акцептора за участю ферменту рибулозо-1,5-біфосфаткарбоксилази. Внаслідок цього утворюється нестійка шестивуглецева сполука, яка миттєво гідролізується до двох молекул фосфогліцеринової кислоти (ФГК):

На другому етапі темнової стадії за участю енергії АТР і “відновлювальної сили” - НАДРН₂ утворюється глюкоза, а саме: до кожної з двох молекул ФГК за допомогою ферменту фосфогліцеринкінази приєднується по одному залишку ортофосфорної кислоти, внаслідок чого утворюється дифосфогліцеринова кислота, яка під впливом ферменту дегідрогенази і НАДР^.Н₂ відновлюється до фосфогліцеринового альдегіду (ФГА). Одна з молекул цієї сполуки при участі тріозофосфат-ізомерази ізомеризується до диоксиацетонфосфату (ДОАФ). Із двох тріоз - ФГА і ДОАФ – за допомогою альдолази здійснюється синтез однієї молекули шестивуглецевої сполуки – фруктозо-1,6-біфосфату (ФБФ), яка є вихідною сполукою для утворення інших вуглеводів (сахарози, крохмалю):

Заключний, третій етап циклу Кальвіна полягає у регенерації рибулозо-1,5-біфосфату. Він складається з ряду реакцій, у яких з 3,4 і 7-ми вуглецевих сполук утворюються пентози. У одній із перших реакцій від фруктозо-6-фосфату під дією транскетолази відокремлюються два атоми вуглецю і утворюється еритрозо-4-фосфат. Ця сполука конденсується з ДОАФ за участю альдолази і синтезується цукор - седогептулозобіфосфат (СДФ). Від нього відокремлюється ортофосфат, внаслідок чого утворюється седогептулозо-7-фосфат, який набуває транскетолазної активності з відокремленням двох атомів вуглецю. Виникає нова сполука – пентоза рибозо-5-фосфат. За допомогою ізомерази ця сполука перетворюється у рибулозо-5-фосфат.

Фонд пентоз поповнюється також за рахунок транскетолазних реакцій: двовуглецевий компонент приєднується до фосфогліцеринового альдегіду і утворюється пентоза ксилулозо-5-фосфат. Завершальним процесом етапу є перетворення пентоз до рибулозобіфосфату. Він утворюється з фосфомонопентоз, які повторно фосфорилюються за рахунок АТР, що надходить від світлової стадії фотосинтезу.

Із 12 молекул ФГА на синтез вуглеводів використовуються дві, а основна їх кількість (10 молекул) витрачається на відновлення акцептора СО₂, тобто рибулозобіфосфату.

Завдяки цьому рослина досить швидко нагромаджує велику кількість молекул акцептора і тим посилює інтенсивність поглинання СО₂.

Регенерований рибулозо-1,5-фосфат приєднує молекулу СО₂ і знову підключається до циклу.

У циклі Кальвіна відбувається перетворення тріоз, тому рослини з таким циклом фотосинтезу називаються С₃-рослинами, а шлях фотосинтезу – С₃-шляхом фотосинтезу. Переважна більшість рослин (близько 80%) мають такий шлях фотосинтезу. Спрощена схема циклу Кальвіна показана на рис. 37.

Рис. 37. Схема С₃-шляху фотосинтезу (Лібберт Е, 1976, з деякими змінами).