Механизм темновой фазы фотосинтеза

Синтез глюкозы связан с поглощением углекислого газа растением. Фиксация углекислого газа происходит в реакции, которая катализируется рибулезодифосфат-карбоксилазой. Этот фермент располагается на внешней мембране тилакоидов и является одним из наиболее широко распрост-раненных ферментов, участвующих в образовании биомассы на планете.

В процессе этой реакции происходит трансформация субстрата – рибулезодифосфата в две молекулы 3-фосфоглицерата, который далее используется для синтеза глюкозы в реакциях, аналогичных глюконеогенезу у животных.

Особое значение в образовании глюкозы в процессе фотосинтеза приобретают превращения субстратов в цикле Кальвина. Балансовое уравнение цикла Кальвина можно представить в следующем виде:

6CO₂ + 18 АТФ + 12 Н₂О + 12 НАДФН₂ =

= С₆Н₁₂О₆ + 18 Н₃РО₄ + 18 АДФ + 18 НАДФ

Схема превращения промежуточных продуктов в цикле Кальвина представлена на рис. 85.

Рисунок 85 – Цикл Кальвина по А. Ленинджер, 1985. (3ФГ-3-фосфоглицерат, ДГАФ – дигидроксиацетонфосфат, ФДФ – фруктозо-1,6-дифосфат,

Г6Ф – глюкозо-6-фосфат, Э4Ф – эритрозо-4-фосфат, Кс5Ф – ксилуозо-5-фосфат, СДФ – седогептулезо-1,7-дифосфат, С7Ф – седогептулезо-7-фосфат,

Р5Ф – рибозо-5-фосфат, Ру5Ф – рибулезо-5-фосфат,

РуДФ – рибулезо-1,5-дифосфат)

Как видно из представленной схемы, сущность этого цикла составляют реакции глюконеогенеза, которые объединяются с реакциями неокислительной фазы пентозофосфатного цикла, что позволяет редуцировать рибулезо-1,5-дифосфат.

Лимитирующей стадией темновых реакций фотосинтеза является рибулезодифосфаткарбоксилазная реакция. Рибулезодифосфат-карбокси-лаза – аллостерический фермент. Он активируется в условиях характерных изменений метаболизма при освещении листа.

Образовавшаяся в растениях глюкоза далее может использоваться для синтеза различных других растительных углеводов – крахмала, сахарозы и целлюлозы.

Сахароза представляет собой основную транспортную форму углеводов в растениях. Это связано с тем, что входящая в ее структуру связь не гидролизуется амилазами.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается биологическая роль фотосистемы 1 и 2?

2. Как устроены фотосистемы хлоропластов?

3. Каков механизм образования кислорода во время световой фазы фотосинтеза?

4. Как осуществляется процесс фотофосфорилирования?

5. Объясните характер взаимосвязи между световой и темновой стадией фотосинтеза?

6. В чем заключается суть цикла Кальвина?

Глава 13. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

Центральное место в метаболизме углеводов занимают превращения глюкозы. Подобно другим метаболитам она может утилизироваться в различных биосинтетических процессах, связанных с образованием углеводов (полисахаридов и моносахаридов), а также других классов органических веществ, или подвергаться распаду. Учитывая тот факт, что многие организмы используют глюкозу в качестве субстрата окисления, особое значение в ее метаболизме занимают процессы распада.

Центральным путем катаболизма глюкозы является гликолиз. Помимо него, существуют вторичные пути ее катаболизма, к которым относятся:

· пентозофосфатный цикл;

· путь, связанный с превращением глюкозы в глюкуроновую кислоту;

· путь, связанный с образованием аскорбиновой кислоты.

Гликолиз

Гликолиз представляет собой процесс распада глюкозы с образованием пировиноградной кислоты. Он представляет собой один из центральных путей метаболизма, которые протекают в организмах, стоящих на разных этапах эволюционного развития (микроорганизмы, растительные и животные организмы).

Гликолиз протекает в две стадии. На первой стадии происходит активация глюкозы, связанная с ее фосфорилированием за счет АТФ. К молекуле глюкозы последовательно присоединяются два остатка фосфорной кислоты из АТФ: сначала по шестому углеродному атому (в гексокиназной реакции, а затем по первому углеродному атому, в реакции, катализируемой ферментом фосфофруктокиназой (рис. 86).

Образовавшийся в процессе активации глюкозы фруктозо-1,6-ди-фосфат под действием фермента альдолазы подвергается расщеплению на два трехуглеродных продукта реакции (диоксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат). Молекула диоксиацетонфосфата под действием фермента триозофосфатизомеразы превращается во вторую молекулу глицеральдегид-3-фосфата, который представляет собой продукт первой стадии гликолиза.

Таким образом, I стадия гликолиза представляет собой энергозависимый процесс, связанный с потреблением АТФ. В результате ферментативных превращений на этой стадии молекула глюкозы распадается на две молекулы глицеральдегид-3-фосфата.

На II стадии гликолиза глицеральдегид-3-фосфат подвергается ферментативным превращениям, в результате которых образуется пировиноградная кислота (рис. 87). В процессе этих превращений происходит выделение энергии, которая запасается в форме макроэргических связей АТФ.

В первой реакции второй стадии гликолиза, представляющей собой процесс гликолитической оксидоредукции, происходит окисление глицеральдегид-3-фосфата с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты. Фермент глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа является пиридинзависимой дегидрогеназой, использующей в качестве кофермента НАД.

1,3-Дифосфоглицериновая кислота представляет собой макроэргический фосфат, который далее вступает в реакцию субстратного фосфорилирования, катализируемую фосфоглицераткиназой. В фосфоглицераткиназной реакции происходит перенос макроэргической фосфатной группы с 1,3-дифосфоглицериновой кислоты на АДФ с образованием АТФ и следующего промежуточного продукта гликолиза – 3-фосфоглицерата. Под действием фермента фосфоглицератмутазы 3-фосфоглицерат превращается в 2-фосфоглицерат. В свою очередь 2-фосфоглицерат, под действием фермента енолазы превращается в фосфоенолпируват.

Рисунок 86 – Превращение глюкозы на первой стадии гликолиза

Рисунок 87 – Вторая стадия гликолиза

Этот промежуточный продукт гликолиза представляет собой макроэргический фосфат, который затем в реакции субстратного фосфорилирования, катализируемой пируваткиназой, превращается в конечный продукт гликолиза – пировиноградную кислоту (пируват). При этом макроэргическая фосфатная группа с фосфоенолпирувата переносится на АДФ с образованием АТФ.

Таким образом, во время второй стадии гликолиза происходит выделение энергии, которая запасается в АТФ и восстановленном НАД. В результате превращений четыре молекул глицеральдегид-3-фосфата, образовавшихся из одной молекулы глюкозы, возникает четыре молекулы АТФ и две молекулы восстановленного НАД.

Вся последовательность реакций гликолиза может быть сведена к следующему балансовому уравнению:

Глюкоза + 2 АДФ +2 Н₃РО₄ +2 НАД =

= 2 пируват +2НАДН₂ + 2АТФ + 2 Н₂О

Как следует из балансового уравнения, гликолиз имеет важное значение в энергетическом обеспечении клеток. Кроме того, его промежуточные продукты могут использоваться в качестве предшественников биосинтеза углеводов, липидов и аминокислот.

Гликолиз происходит в цитоплазме клеток. Это связано с тем, что здесь находятся ферменты, катализирующие отдельные его стадии. По современным представлениям, гликолитические ферменты объединены в единый функциональный комплекс – метаболон, который прикрепляется к элементам цитоскелета.

Гликолиз подвержен тонким механизмам регуляции. Его регуляция осуществляется на уровне “ключевых” ферментов, к которым относятся гексокиназа, фосфофруктокиназа и пируваткиназа. Основную роль в регуляции процесса приобретает фосфофруктокиназа. Ингибиторами этого энзима являются АТФ и цитрат (лимонная кислота), а активатором продукта распада АТФ – АМФ. В качестве ингибитора гексокиназы выступает глюкозо-6-фосфат, а пируваткиназы – АТФ, ацетил-КоА и высшие жирные кислоты.

Продукт гликолиза – пировиноградная кислота является ключевым метаболитом, который может использоваться в различных метаболических превращениях. На рис. 88 представлены основные пути использования пировиноградной кислоты в клетках.

Рисунок 88 – Основные пути использования пирувата в обмене веществ

Основное значение из всех представленных путей обмена пирувата приобретают его восстановление в лактатдегидрогеназной реакции и окисление в процессе окислительного декарбоксилирования.

В анаэробных (бескислородных) условиях, или при недостатке кис-лорода (гипоксии) пируват преимущественно вовлекается в реакцию восстановления, катализируемую лактатдегидрогеназой:

Одним из источников восстановленного НАД для лактатдегидрогеназной реакции может быть глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназная реакция гликолиза.

Молочная кислота является одним из конечных продуктов обмена пирувата. Поэтому в анаэробных условиях она становится конечным продуктом гликолиза. Процесс превращения молекулы глюкозы в две молекулы молочной кислоты в анаэробных условиях называется анаэробным гликолизом.

Балансовое уравнение анаэробного гликолиза может быть представлено в виде

Глюкоза + 2АДФ +2Н₃РО₄ =2 Лактат + 2АТФ + 2Н₂О

Как видно из представленного уравнения, в процессе анаэробного гликолиза происходит образование двух молекул АТФ в расчете на одну каждую молекулу глюкозы.

Лактатдегидрогеназа катализирует обратимую реакцию. В анаэробных или гипоксических условиях в клетке происходит накопление молочной кислоты как продукта гликолиза. Однако, когда кислородный режим клетки нормализуется и парциальное давление кислорода в ней возвращается к уровню нормы, молочная кислота окисляется в пируват, который далее вовлекается в процесс окислительного декарбоксилирования.