Кіріспе

Фотосинтездегі жарықтан тәуелсіз реакциялар Кальвин циклі, жарықтан тәуелсіз реакциялар, биосинтетикалық фаза, қараңғы реакциялар немесе фотосинтетикалық көміртекті азайту (PCR) циклі – көмірқышқыл газы мен сутегі тасымалдаушы қосылыстарды глюкозаға айналдыратын химиялық реакциялардың тізбегі. Кальвин циклі барлық фотосинтездік эукариоттарда және көптеген фотосинтездік бактерияларда кездеседі. Өсімдіктерде бұл реакциялар хлоропласттың сұйықтыққа толы аймағы – тилакоидты мембранадан тыс жердегі стромада жүреді. Бұл реакциялар жарыққа тәуелді реакциялардың өнімдерін (АТФ және НАДФ) пайдаланып, оларға қосымша химиялық процестер жүргізеді. Кальвин циклі АТФ химиялық энергиясын және жарыққа тәуелді реакциялардан алынған НАДФ-тың тотығу-тотықсыздану (редокс) күшін пайдаланып, өсімдік пайдалана алатын қанттарды өндіреді. Бұл субстраттар қадамдық процесте қанттарды өндіру үшін редукциялық-тотығу (редокс) реакцияларының бірнеше тізбегінде қолданылады; бірнеше молекуладан бірден қант түзілетін тікелей реакция жоқ. Жарықтан тәуелсіз реакциялардың үш фазасы бар, олар бірлесіп Кальвин циклі деп аталады: карбоксилдеу, редукциялық реакциялар және рибулоза 1,5-бисфосфаттың (RuBP) қайта жаңартуы. Бұл процеске "қараңғы реакция" деліп айтылса да, ол шын мәнінде қараңғыда немесе түнде өте қоймайды. Себебі, бұл процеске жарыққа тәуелді реакциялардан түсетін және қысқа ғұмырлы болатын НАДФ қажет. Қараңғыда өсімдіктер энергияны қамтамасыз ету үшін қант қорынан сахарозаны флоэмаға бөліп шығарады. Осылайша, Кальвин циклі жарық бар кезде фотосинтездің түріне қарамастан (C3 көміртекті бекіту, C4 көміртекті бекіту және Crassulacean қышқылы метаболизмі (CAM)) жүреді. CAM өсімдіктері әр түнде алма қышқылын вакуолаларында сақтайды және күндіз осы процестің жұмыс істеуі үшін оны босатады.

Басқа метаболистік жолдармен байланысу

Кальвин циклының реакциялары тилакоид электрондық тасымалдау тізбегімен тығыз байланысты, себебі көмірқышқыл газын тотығуын азайтуға қажетті энергия жарыққа тәуелді реакциялар барысында түзілетін NADPH арқылы қамтамасыз етіледі. Фототыныс процесі, сондай-ақ C2 циклы деп белгілі, Кальвин циклымен де байланысты, өйткені ол RuBisCO ферментінің басқаша реакциясының нәтижесінде пайда болады, ал оның соңғы қосалқы өнімі – тағы бір глицеральдегид-3-фосфат молекуласы.

Қадамдар

Кальвин циклының бірінші сатысында бір молекула екі үш көміртек молекуласының біріне (глицеральдегид 3-фосфаты немесе G3P) қосылады, онда ол екі молекула АТФ және екі молекула NADPH пайдаланады, олар жарыққа тәуелді сатыда өндірілген. Бұл үш қадам: RuBisCO ферменті екі қадамдық реакция кезінде рибулоза 1,5-бисфосфатының (RuBP), 5 көміртек қосылысының, көмірқышқыл газымен (барлығы 6 көміртек) карбоксилдеуін катализдейді. Бірінші қадамның нәтижесі – ендиол фермент кешені. Энедиолдың екінші сатысында тұтқындалған 2-карбокси-3-кето-1,5-бифосфориботол (CKABP) (немесе 3-кето-2-карбоксиарабинитол-1,5-бифосфат) деп аталатын тұрақсыз алты көміртек қосылысы пайда болады, ол 3 көміртек қосылысы 3-фосфоглицераттың (сонымен қатар 3-фосфоглицерин қышқылы, PGA, 3PGA немесе 3 PGA деп жазылады) 2 молекуласына бірден бөлінеді. Фосфоглицераткиназа ферменті 3 PGA-ны АТФ-пен фосфорилирлейді (жарыққа тәуелді кезеңде пайда болады). 1,3-бисфосфоглицерат (глицерат 1,3-бисфосфат) және АДФ өнімдері болып табылады. (Бірақ, циклге кіретін әрбір молекула үшін екі PGA өндірілетінін ескеріңіз, сондықтан бұл қадамда екі АТФ қолданылады.) Глицеральдегид-3-фосфат дегидрогеназа ферменті 1,3BPGA-ның NADPH-пен (жарыққа тәуелді сатының тағы бір өнімі) азаюын катализдейді. Глицеральдегид 3-фосфаты (сонымен қатар G3P, GP, TP, PGAL, GAP деп те аталады) түзіледі, ал NADPH өзі тотыққаннан кейін NADP+ болады. Тағы да, бір молекулаға екі NADPH қолданылады. Кальвин циклының келесі кезеңі – RuBP-ны қалпына келтіру. Бес G3P молекуласы үш RuBP молекуласын шығарады, үш молекула АТФ пайдаланылады. Әрбір молекула екі G3P молекуласын өндірсе, үш молекула алты G3P молекуласын өндіреді, оның бесеуі RuBP-ді қалпына келтіру үшін қолданылады, бұл үш молекулаға бір G3P молекуласының таза пайдасын қалдырады (қатысқан көміртек атомдарының санына қарағанда). Регенерация кезеңі бірнеше кезеңге бөлінеді. Триоз фосфат изомеразасы барлық G3P-ны қайталама түрде 3 көміртек молекуласы – дигидроксиацетон фосфатына (DHAP) айналдырады. Алдолаза және фруктоза-1,6-бисфосфатаза G3P және DHAP-ты фруктоза-6-фосфатына (6C) түрлендіреді. Фосфат ионы ерітіндіге жоғалады. Одан кейін тағы екі G3P пайда болады. F6P-ның екі көміртегісі транскетолазамен алынып тасталып, эритроз-4-фосфаты (E4P) пайда болады. Транскетолазадағы екі көміртек G3P-қа қосылады, сонда кетоза ксилулоза 5-фосфаты (Xu5P) пайда болады. E4P және DHAP (екінші молекуладан түзілген G3P-ның бірінен түзіледі) альдолаза ферментімен седогептулоза 1,7-бисфосфатқа (7C) айналады. Седогептулоза 1,7-бисфосфатаза (Калвин циклының өсімдіктерге тән үш ферментінің бірі) седогептулоза 1,7-бисфосфатын седогептулоза 7-фосфатына бөліп, ерітіндіге органикалық емес фосфат ионын шығарады. Тағы екі G3P пайда болады. Кетоза S7P-де транскетолазамен алынып тасталған екі көміртегі бар, бұл рибоза-5-фосфатын (R5P) береді, ал транскетолазада қалған екі көміртегі G3P-ның біріне көшіріледі, бұл басқа Xu5P береді. Бұл үш молекуладан бір G3P қалдырады, ал Ru5P-ге айналдырылатын үш пентоза пайда болады. R5P фосфопентоза изомераза арқылы рибулоза-5-фосфатына (Ru5P, RuP) айналады. Xu5P фосфопентоз эпимеразасымен RuP-қа айналады. Соңында, фосфорибулокиназа (жолындағы басқа да өсімдіктерге тән фермент) RuP-ті RuBP, рибулоза 1,5-бисфосфатына фосфорилдеп, Кальвин циклын аяқтайды. Бұл үшін бір АТФ енгізу қажет. Осылайша, өндірілген алты G3P-ның бесеуі RuBP (5C) молекулаларын (барлығы 15 көміртек) жасау үшін пайдаланылады, ал тек бір G3P кейіннен гексозға айналуға болады. Бұл үшін әрбір үш молекулаға 9 АТФ молекуласы мен 6 НАДФ молекуласы қажет. Жалпы Кальвин циклының теңдеуі төменде диаграммалық түрде көрсетілген. RuBisCO фотореспирация орнына көмірқышқыл газымен бәсекелестікке жауап береді. Фотореспирацияның жылдамдығы жоғары температурада жоғары болады. Фотореспирация RuBP-ді 3 PGA және 2 фосфогликолатқа айналдырады, 2 көміртек молекуласы гликолат пен глиоксалат арқылы глицинге айналады. Глицинді бөліну жүйесі мен тетрагидрофолат арқылы екі глицин серинге айналады, ал серин қайтадан 3 фосфоглицератқа айналады. Осылайша, екі фосфогликолаттан 4 көміртегінің тек 3-і ғана 3 PGA-ға қайта айналуы мүмкін. Фотореспирацияның өсімдік үшін өте жағымсыз салдарлары бар екені байқалады, өйткені бұл процесс фотореспирацияны айналып өту үшін дамыған С4 көміртегі бекітуін жоғалтуға әкеледі, бірақ мысалы, өте жылы немесе тропикалық климатқа жататын кейбір өсімдіктерде ғана болуы мүмкін. Сонымен қатар, фотосинтездің жарықтан тәуелс...

Өнімдер

Кальвин циклының бір айналымының тікелей өнімдері – 2 глицеральдегид-3-фосфат (G3P) молекуласы, 3 АДФ және 2 НАДФ+. (АДФ және НАДФ+ нақты "өнім" емес. Олар жарыққа тәуелді реакцияларда қайта қолданылады). Әрбір G3P молекуласы 3 көміртектен тұрады. Кальвин циклының жалғасуы үшін RuBP (рибулоза 1,5-бисфосфат) қайта жаңартылуы керек. Сондықтан, 2 G3P молекуласынан алынған 6 көміртектің 5-і осы мақсатқа жұмсалады. Демек, әр айналымда пайда болатын таза көміртектің саны 1. 1 артық G3P молекуласын жасау үшін 3 көміртек қажет, ал оған Кальвин циклының 3 айналымы керек. Бір глюкоза молекуласын (оның 2 G3P молекуласынан жасалуы мүмкін) жасау үшін Кальвин циклының 6 айналымы қажет. Өсімдіктің қажеттілігіне қарай, артық G3P крахмал, сахароза және целлюлоза сияқты басқа да көмірсуларды құру үшін де пайдаланылуы мүмкін.

Жарыққа тәуелді реттеу

Бұл реакциялар қараңғыда немесе түнде жүрмейді. Цикл ферменттерінің жарыққа тәуелді реттелуі бар, себебі үшінші қадамға NADPH қажет. Циклды қосу немесе өшіру қажет болғанда екі реттеу жүйесі жұмыс істейді: цикл ферменттерінің кейбірін белсендіретін тиоредоксин/ферредоксин белсендіру жүйесі; және Кальвин циклында белсенді RuBisCo ферментінің белсендірілуі, ол өзінің активазасын қамтиды. Тиоредоксин/ферредоксин жүйесі глицеральдегид-3-фосфат дегидрогеназа, глицеральдегид-3-фосфат фосфатаза, фруктоза 1,6-бисфосфатаза, седогептулоза 1,7-бисфосфатаза және рибулоза-5-фосфат киназа ферменттерін белсендіреді, олар процестің маңызды тұстары болып табылады. Бұл жарық болғанда болады, себебі ферредоксин ақуызы тилакоид электрондық тізбегінің фотожүйе I кешенінде электрондар айналымда болғанда тотығып кешіреді. Ферредоксин тиоредоксин ақуызына байланысып, оны тотықтырады, ал тиоредоксин цикл ферменттерін цистиндік байланысты үзу арқылы белсендіреді. Бұл динамикалық процесс, себебі ферменттерді деактивациялайтын басқа ақуыздар да сол байланысты қайта құрайды. Осы процестің салдарынан ферменттер күндіз көбінесе белсенді болып қалады және ферредоксин тотыққанда қараңғыда деактивацияланады. RuBisCo ферментінің өзіне тән, күрделірек белсендіру процесі бар. Ферментті белсендіру үшін белгілі бір лизин аминқышқылы карбамилденуі керек. Бұл лизин RuBP-ге байланысады және карбамилденбеген жағдайда фермент функционалды емес күйге жетеді. RuBisCo активаза деп аталатын белгілі бір активаза ферменті лизиннен бір протонды алып тастау арқылы карбамилдену процесіне көмектеседі, соның нәтижесінде көмірқышқыл газы молекуласының байланысуы мүмкін болады. Дегенмен, RuBisCo ферменті әлі де толыққанды жұмыс істемейді, себебі оның жұмыс істеуі үшін лизинге байланысқан магний ионы қажет. Бұл магний ионы тилакоид люменінен электрон ағынынан протондардың белсенді сорылуынан туындаған ішкі pH төмендеген кезде босатылады. RuBisCo активазаның өзі АТФ-тың (аденозин трифосфат) концентрациясының өсуімен белсендіріледі, ол стромада фосфорилдану арқылы пайда болады.