Восстановительный пентозофосфатный цикл (цикл Кальвина)

Восстановительный пентозофосфатный цикл, или цикл Кальвина, являющийся основным путем фиксации СО2 у всех высших фотосинтезирующих организмов, функционирует уже в группе пурпурных бактерий . У цианобактерий и прохлорофит это также основной путь фиксации СО2. Последовательность ферментативных реакций, приводящих к фиксации углекислоты и образованию из нее молекулы гексозы, была расшифрована Кальвином (M.Calvin) с сотрудниками в 50-х гг. XX в. ( рис. 77 ). Что в этом цикле нового, существенно отличающего его от всех реакций фиксации СО2 как гетеротрофной природы, так и функционирующих в восстановительном цикле трикарбоновых кислот (ЦТК) ? Новая химическая природа акцептора. Акцепторами СО2 во всех до сих пор описанных реакциях были органические кислоты в обычной или активированной форме. В этом цикле впервые акцептором СО2 выступает вещество углеводной природы - активированная молекула пентозы.

Ферментативные пути, ведущие к синтезу пентозофосфатов, уже формировались в окислительном пентозофосфатном пути . Для восстановительного пентозофосфатного цикла уникальными являются два фермента, не участвующие в других метаболических путях: фосфорибулокиназа и рибулозодифосфаткарбоксилаза. Первый из них связан с активированием молекулы акцептора путем вторичного фосфорилирования, а второй катализирует реакцию акцептирования рибулозо-1,5-дифосфатом молекулы СО2 и последующее гидролитическое расщепление образовавшейся гексозы на 2 молекулы 3-ФГК , одна из которых в карбоксильной группе содержит углерод из СО2.

Образовавшиеся молекулы 3-ФГК затем подвергаются серии последовательных ферментативных превращений, ведущих к образованию молекулы глюкозы . Эти превращения включают реакции, известные в гликолитическом пути , но идущие теперь в обратном направлении (реакции, катализируемые ферментами Ф2-Ф5и Ф7 на рис. 77 ), и реакции, сформировавшиеся у гетеротрофов на пути синтеза глюкозы из С2- и С3- соединений для обхода необратимых реакций гликолитического пути (реакции, катализируемые ферментами Ф6 и Ф8 на рис. 77 ). Реакция восстановления 1,3-ФГК до 3-ФГА , катализируемая 3-ФГА-дегидрогеназой, у пурпурных и зеленых бактерий зависит от НАД*Н2 , а у цианобактерий и высших растений - от НАДФ*Н2 .

Такова биосинтетическая часть цикла, ведущая к фиксации СО2 и образованию из нее молекулы гексозы. Однако чтобы функционировал этот механизм, необходимо постоянное воспроизведение молекул - акцепторов СО2. Остальные ферментативные реакции цикла служат для регенерации акцептора СО2 - рибулозо-1,5-дифосфата и катализируются ферментами, большинство из которых функционирует в окислительном пентозофосфатном пути (ферменты Ф9-Ф13 на рис. 77 ). Суммарное уравнение восстановительного пентозофосфатного цикла можно изобразить следующим образом:

6СО2 + 18АТФ + 12НАД(Ф)*Н2 приводит в

С6Н12О6 + 18ФН+ 18АДФ + 12НАД(Ф)+

Для синтеза 1 молекулы глюкозы из СО2 необходимо 6 оборотов цикла.

Таким образом, сформировавшийся для автотрофной ассимиляции СО2 механизм базируется на ферментативных реакциях, которые уже функционировали к тому времени у хемогетеротрофных прокариот . Для работы цикла необходимо было создать только две новые реакции, связанные с подготовкой акцептора и собственно акцептированием СО2.

Восстановительный пентозофосфатный цикл является основным механизмом автотрофной ассимиляции углекислоты. Последняя у большинства фотосинтезирующих эубактерий восстанавливается с помощью фотохимически образованной "ассимиляционной силы" - АТФ и восстановителя. Однако и АТФ, и восстановитель ( НАДФ*Н2 или НАД*Н2 ) образуются в разных метаболических путях. Поэтому нельзя рассматривать восстановительный пентозофосфатный цикл ассимиляции СО2 строго привязанным только к фотосинтезу. У большой группы хемоавтотрофных эубактерий этот путь фиксации СО2 сочетается с темновыми окислительными процессами получения энергии. Важно отметить только, что это основной путь ассимиляции СО2, если последняя служит единственным или главным источником углерода.

Таким образом, обнаруженные у фотосинтезирующих эубактерий типы фотосинтеза различаются организацией фотосинтетического аппарата, природой экзогенных доноров электрона и выделяемыми окисленными продуктами. Общим для всех типов фотосинтеза является способность превращать энергию света в доступные клетке формы энергии, которая потребляется затем во всех энергозависимых процессах, в том числе и для биосинтезов. Использование ее для ассимиляции СО2 - только один из вариантов обеспечения энергией конструктивного метаболизма у фототрофных эубактерий.

Поли(АДФ-рибоза) (ПАР, PAR)

Ссылки:

Все ссылки