Введение
Светнезависимые реакции в фотосинтезе
Цикл Кальвина, светнезависимые реакции, биосинтетическая фаза, темные реакции или цикл фотосинтетического восстановления углерода (ПФУ) – это серия химических реакций, которые преобразуют углекислый газ и переносчики водорода в глюкозу. Цикл Кальвина присутствует у всех фотосинтезирующих эукариот, а также у многих фотосинтезирующих бактерий. У растений эти реакции происходят в строме – заполненной жидкостью области хлоропласта вне тилакоидных мембран. Эти реакции используют продукты (АТФ и НАДФ) светозависимых реакций и подвергают их дальнейшей химической обработке. Цикл Кальвина использует химическую энергию АТФ и восстановительную силу НАДФ, полученных в результате светозависимых реакций, для производства сахаров, используемых растением. Эти субстраты используются в серии окислительно-восстановительных (редокс) реакций для получения сахаров в поэтапном процессе; не существует прямой реакции, которая преобразует несколько молекул углерода непосредственно в сахар. Светнезависимые реакции, совместно называемые циклом Кальвина, состоят из трех фаз: карбоксилирования, реакций восстановления и регенерации рибулозо-1,5-бисфосфата (RuBP). Несмотря на то, что этот цикл также называют «темной реакцией», он фактически не происходит в темноте или ночью. Это связано с тем, что для этого процесса требуется НАДФ, который нестабилен и образуется в результате светозависимых реакций. В темноте растения высвобождают сахарозу из запасов крахмала в флоэму, чтобы обеспечить растение энергией. Таким образом, цикл Кальвина происходит при наличии света, независимо от типа фотосинтеза (фиксация углерода C3, фиксация углерода C4 и метаболизм крассулацеидных растений (CAM)); растения CAM каждую ночь накапливают яблочную кислоту в вакуолях и высвобождают ее днем для обеспечения работы этого процесса.
Соединение с другими метаболическими путями
Реакции цикла Кальвина тесно связаны с тилакоидной цепью транспорта электронов, так как энергия, необходимая для восстановления углекислого газа, обеспечивается NADPH, образующимся в ходе светозависимых реакций. Процесс фотореспирации, также известный как C2-цикл, также сопряжен с циклом Кальвина, поскольку он является результатом альтернативной реакции фермента RuBisCO, а конечным продуктом этого процесса является еще одна молекула глицеральдегид-3-фосфата.
Шаги
На первом этапе цикла Кальвина молекула углекислого газа включается в одну из двух трех углеродных молекул (глицеральдегид-3-фосфат или G3P), где расходуются две молекулы АТФ и две молекулы НАДФH, которые были произведены на светозависимой стадии. Этот процесс состоит из трех этапов: фермент RuBisCO катализирует карбоксилирование рибулозо-1,5-бисфосфата (RuBP), 5-углеродного соединения, диоксидом углерода (в сумме 6 углеродов) в ходе двухстадийной реакции. Продукт первой стадии – это энедиол-энзимный комплекс, способный захватить или Таким образом, энедиол-энзимный комплекс является истинным карбоксилазой/оксигеназой. , захваченный энедиолом на второй стадии, образует нестабильное шестиуглеродное соединение, называемое 2-карбокси-3-кето-1,5-бисфосфориботолом (CKABP) (или 3-кето-2-карбоксиарабинитол-1,5-бисфосфатом), которое немедленно расщепляется на 2 молекулы 3-фосфоглицерата (также обозначаемого как 3-фосфоглицериновая кислота, PGA, 3PGA или 3 PGA), 3-углеродного соединения. Фермент фосфоглицерат-киназа катализирует фосфорилирование 3-фосфоглицерата (3 PGA) АТФ (который был произведен на светозависимой стадии). Продуктами реакции являются 1,3-бисфосфоглицерат (глицерат-1,3-бисфосфат) и АДФ. (Следует отметить, что на каждый, поступающий в цикл, образуются два 3-фосфоглицерата, поэтому на этом этапе используется два АТФ на одну фиксированную молекулу). Фермент глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа катализирует восстановление 1,3-бисфосфоглицерата (1,3BPGA) НАДФH (который является еще одним продуктом светозависимой стадии). Образуется глицеральдегид-3-фосфат (также называемый G3P, GP, TP, PGAL, GAP), а сам НАДФH окисляется до НАДФ+. Опять же, на одну фиксированную молекулу расходуется два НАДФH. Следующий этап цикла Кальвина – регенерация RuBP. Пять молекул G3P образуют три молекулы RuBP, используя три молекулы АТФ. Поскольку каждая молекула производит две молекулы G3P, три молекулы производят шесть молекул G3P, из которых пять используются для регенерации RuBP, что приводит к чистому выигрышу одной молекулы G3P на три молекулы (что соответствует количеству участвующих атомов углерода). Этап регенерации можно разбить на ряд последовательных реакций. Триозофосфат-изомераза обратимо превращает весь G3P в дигидроксиацетонфосфат (DHAP), также 3-углеродную молекулу. Алдолаза и фруктозо-1,6-бисфосфатаза превращают G3P и DHAP во фруктозо-6-фосфат (6C), при этом в раствор высвобождается фосфатный ион. Затем фиксация еще одной молекулы генерирует еще две молекулы G3P. F6P теряет два углерода под действием транскетолазы, образуя эритрозо-4-фосфат (E4P). Два углерода от транскетолазы добавляются к G3P, образуя кетоз-ксилулозо-5-фосфат (Xu5P). E4P и DHAP (образованный из одного из G3P при второй фиксации) превращаются в седогептулозо-1,7-бисфосфат (7C) ферментом альдолазой. Седогептулозо-1,7-бисфосфатаза (один из трех ферментов цикла Кальвина, уникальных для растений) расщепляет седогептулозо-1,7-бисфосфат на седогептулозо-7-фосфат, высвобождая ион неорганического фосфата в раствор. Фиксация третьей молекулы генерирует еще две молекулы G3P. Кетоза S7P теряет два углерода под действием транскетолазы, образуя рибозо-5-фосфат (R5P), а два оставшихся углерода от транскетолазы переносятся на одну из молекул G3P, образуя еще одну молекулу Xu5P. В результате остается одна молекула G3P как продукт фиксации трех молекул, с образованием трех пентоз, которые могут быть преобразованы в Ru5P. R5P превращается в рибулозо-5-фосфат (Ru5P, RuP) фосфопентозоизомеразой. Xu5P превращается в RuP посредством фосфопентозной эпимеразы. Наконец, фосфорибулокиназа (еще один уникальный растительный фермент этого пути) фосфорилирует RuP в RuBP, рибулозо-1,5-бисфосфат, завершая цикл Кальвина. Для этого требуется один АТФ. Таким образом, из шести произведенных молекул G3P, пять используются для образования трех молекул RuBP (5C) (в общей сложности 15 углеродов), при этом только одна молекула G3P доступна для последующего превращения в гексозу. Для этого требуется девять молекул АТФ и шесть молекул НАДФH на три молекулы. Уравнение общего цикла Кальвина представлено схематически ниже. RuBisCO также конкурентно реагирует с вместо в процессе фотодыхания. Скорость фотодыхания выше при высоких температурах. Фотодыхание превращает RuBP в 3-фосфоглицерат и 2-фосфогликолат, 2-углеродную молекулу, которая может быть преобразована через гликолат и глиоксилат в глицин. Через систему расщепления глицина и тетрагидрофолата два глицина превращаются в серин, который, в свою очередь, может быть преобразован обратно в 3-фосфоглицерат. Таким образом, только 3 из 4 углеродов из двух молекул фосфогликолата могут быть преобразованы обратно в 3-фосфоглицерат. Очевидно, что фотодыхание имеет очень негативные последствия для растения, поскольку, вместо фиксации, этот процесс приводит к потере углерода. C4-фотосинтез эволюционировал для обхода фотодыхания, но может происходить только у определенных растений, произрастающих в очень теплом или тропическом климате, например, у кукурузы. Кроме того, RuBisCO, катализирующий реакции, независимые от света в процессе фотосинтеза, обычно проявляет повышенную специфичность к CO2 по сравнению с O2, чтобы минимизировать реакцию оксигенации. Эта повышенная специфичность эволюционировала после того, как RuBisCO включил новое белковое субъединицу.
The enzyme RuBisCO catalyses the carboxylation of ribulose 1,5 bisphosphate, RuBP, a 5 carbon compound, by carbon dioxide (a total of 6 carbons) in a two step reaction. The product of the first step is enediol enzyme complex that can capture or Thus, enediol enzyme complex is the real carboxylase/oxygenase. The that is captured by enediol in second step produces an unstable six carbon compound called 2 carboxy 3 keto 1,5 biphosphoribotol (CKABP) (or 3 keto 2 carboxyarabinitol 1,5 bisphosphate) that immediately splits into 2 molecules of 3 phosphoglycerate (also written as 3 phosphoglyceric acid, PGA, 3PGA, or 3 PGA), a 3 carbon compound. The enzyme phosphoglycerate kinase catalyses the phosphorylation of 3 PGA by ATP (which was produced in the light dependent stage). 1,3 Bisphosphoglycerate (glycerate 1,3 bisphosphate) and ADP are the products. (However, note that two 3 PGAs are produced for every that enters the cycle, so this step utilizes two ATP per fixed.) The enzyme glyceraldehyde 3 phosphate dehydrogenase catalyses the reduction of 1,3BPGA by NADPH (which is another product of the light dependent stage). Glyceraldehyde 3 phosphate (also called G3P, GP, TP, PGAL, GAP) is produced, and the NADPH itself is oxidized and becomes NADP+. Again, two NADPH are utilized per fixed. The next stage in the Calvin cycle is to regenerate RuBP. Five G3P molecules produce three RuBP molecules, using up three molecules of ATP. Since each molecule produces two G3P molecules, three molecules produce six G3P molecules, of which five are used to regenerate RuBP, leaving a net gain of one G3P molecule per three molecules (as would be expected from the number of carbon atoms involved). The regeneration stage can be broken down into a series of steps. Triose phosphate isomerase converts all of the G3P reversibly into dihydroxyacetone phosphate (DHAP), also a 3 carbon molecule. Aldolase and fructose 1,6 bisphosphatase convert a G3P and a DHAP into fructose 6 phosphate (6C). A phosphate ion is lost into solution. Then fixation of another generates two more G3P. F6P has two carbons removed by transketolase, giving erythrose 4 phosphate (E4P). The two carbons on transketolase are added to a G3P, giving the ketose xylulose 5 phosphate (Xu5P). E4P and a DHAP (formed from one of the G3P from the second fixation) are converted into sedoheptulose 1,7 bisphosphate (7C) by aldolase enzyme. Sedoheptulose 1,7 bisphosphatase (one of only three enzymes of the Calvin cycle that are unique to plants) cleaves sedoheptulose 1,7 bisphosphate into sedoheptulose 7 phosphate, releasing an inorganic phosphate ion into solution. Fixation of a third generates two more G3P. The ketose S7P has two carbons removed by transketolase, giving ribose 5 phosphate (R5P), and the two carbons remaining on transketolase are transferred to one of the G3P, giving another Xu5P. This leaves one G3P as the product of fixation of 3 , with generation of three pentoses that can be converted to Ru5P. R5P is converted into ribulose 5 phosphate (Ru5P, RuP) by phosphopentose isomerase. Xu5P is converted into RuP by phosphopentose epimerase. Finally, phosphoribulokinase (another plant unique enzyme of the pathway) phosphorylates RuP into RuBP, ribulose 1,5 bisphosphate, completing the Calvin cycle. This requires the input of one ATP. Thus, of six G3P produced, five are used to make three RuBP (5C) molecules (totaling 15 carbons), with only one G3P available for subsequent conversion to hexose. This requires nine ATP molecules and six NADPH molecules per three molecules. The equation of the overall Calvin cycle is shown diagrammatically below. RuBisCO also reacts competitively with instead of in photorespiration. The rate of photorespiration is higher at high temperatures. Photorespiration turns RuBP into 3 PGA and 2 phosphoglycolate, a 2 carbon molecule that can be converted via glycolate and glyoxalate to glycine. Via the glycine cleavage system and tetrahydrofolate, two glycines are converted into serine plus Serine can be converted back to 3 phosphoglycerate. Thus, only 3 of 4 carbons from two phosphoglycolates can be converted back to 3 PGA. It can be seen that photorespiration has very negative consequences for the plant, because, rather than fixing , this process leads to loss of C4 carbon fixation evolved to circumvent photorespiration, but can occur only in certain plants native to very warm or tropical climates—corn, for example. Furthermore, RuBisCOs catalyzing the light independent reactions of photosynthesis generally exhibit an improved specificity for CO2 relative to O2, in order to minimize the oxygenation reaction. This improved specificity evolved after RuBisCO incorporated a new protein subunit.
Продукты
Непосредственными продуктами одного оборота цикла Кальвина являются 2 молекулы глицеральдегида-3-фосфата (G3P), 3 ADP и 2 NADP+. (ADP и NADP+ на самом деле не являются "продуктами". Они регенерируются и впоследствии используются в светозависимых реакциях). Каждая молекула G3P состоит из 3 атомов углерода. Для продолжения цикла Кальвина необходимо регенерировать RuBP (рибулозо-1,5-бисфосфат). Таким образом, 5 из 6 атомов углерода из 2 молекул G3P используются для этой цели. Следовательно, с каждого оборота получается только 1 чистый атом углерода, доступный для дальнейшего использования. Для создания 1 избыточной молекулы G3P требуется 3 атома углерода, а значит, и 3 оборота цикла Кальвина. Для синтеза одной молекулы глюкозы (которая может быть образована из 2 молекул G3P) потребуется 6 оборотов цикла Кальвина. Избыточный G3P также может использоваться для образования других углеводов, таких как крахмал, сахароза и целлюлоза, в зависимости от потребностей растения.
Светозависимая регулировка
Эти реакции не происходят в темноте или ночью. Существует светозависимое регулирование ферментов цикла, поскольку третья стадия требует NADPH. Действуют две системы регулирования, включающие или выключающие цикл: система активации тиоредоксина/ферредоксина, которая активирует некоторые ферменты цикла, и активация фермента RuBisCo, активная в цикле Кальвина, включающая в себя собственную активазу. Система тиоредоксина/ферредоксина активирует ферменты глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназу, глицеральдегид-3-фосфатазу, фруктозо-1,6-бисфосфатазу, седогептулозо-1,7-бисфосфатазу и рибулозо-5-фосфаткиназу, которые являются ключевыми точками процесса. Это происходит при наличии света, так как белок ферредоксин восстанавливается в комплексе фотосистемы I тилакоидной цепи переноса электронов, когда электроны циркулируют через него. Затем ферредоксин связывается и восстанавливает белок тиоредоксин, который активирует ферменты цикла, разрывая цистиновую связь, присутствующую во всех этих ферментах. Это динамический процесс, поскольку та же связь снова образуется другими белками, которые деактивируют ферменты. В результате ферменты в основном активированы в течение дня и деактивируются в темноте, когда восстановленный ферредоксин больше недоступен. Фермент RuBisCo имеет свой собственный, более сложный процесс активации. Для активации фермента требуется карбамилирование специфической аминокислоты лизина. Этот лизин связывается с RuBP и приводит к нефункциональному состоянию, если он не карбамилирован. Специфический фермент активаза, называемый RuBisCo активаза, способствует этому процессу карбамилирования, удаляя один протон из лизина и делая возможным связывание молекулы углекислого газа. Даже в этом случае фермент RuBisCo еще не функционален, поскольку для его работы необходион ион магния, связанный с лизином. Этот ион магния высвобождается из просвета тилакоида, когда внутренний pH снижается из-за активного перекачивания протонов из цепи переноса электронов. Сама RuBisCo активаза активируется повышенной концентрацией АТФ в строме, вызванной ее фосфорилированием.