Фотосинтез

 составляющие: концентрационную  ∆ рН, возникающую в результате  неравномерного распределения ионов  Н+ по разные стороны мембраны, и электрохимическую, обусловленную  противоположным зарядом разных  сторон мембраны (благодаря накоплению  протонов с внутренней стороны мембраны). Соответственно и энергия, накапливаемая на мембране в результате концентрирования протонов на одной стороне, имеет две составляющие — концентрационную и электрическую. Чтобы использовать эту энергию, необходимо обеспечить обратный поток протонов. Энергия, выделяющаяся при этом, и используется для образования АТФ. Сопряжение диффузии протонов через мембрану осуществляется ферментом АТФ-синтетазой или сопрягающим фактором. Этот фермент локализован в грибовидных частицах на поверхности мембран тилакоидов. Он состоит из двух частей: головки F1, выступающей с наружной стороны мембраны

(в ней располагается  каталитический центр фермента), и ножки F0,

погруженной в мембрану и представляющей канал, через который передвигаются протоны.

 

Существует две гипотезы относительно механизма фосфорилирования (прямой механизм и косвенный) (рис. 17). В прямом механизме фосфатная группа и АДФ связываются с ферментом в активном участке комплекса F1. Два протона перемещаются через канал по градиенту концентрации и соединяются с кислородом фосфата, образуя воду. Это делает фосфатную группу весьма реактивной, и она присоединяется к АДФ с образованием АТФ.

 

 

 

 

 

Рис.17. Механизмы образования АТФ

 

Согласно второй гипотезе (косвенный механизм), АДФ и Фн соединяются в активном центре фермента спонтанно. Однако образовавшаяся АТФ прочно связана с ферментом, и для ее освобождения требуется энергия. Энергия доставляется протонами, которые, связываясь с ферментом, изменяют его конформацию, после чего АТФ высвобождается. Продукты световой фазы, в которых аккумулирована энергия света,— АТФ и НАДФ-Н2 Арнон назвал ассимиляционной силой. Образование этих соединений идет в отсутствие С02. При наличии АТФ и НАДФ-Н2 восстановление СО2 до уровня углеводов может происходить в темноте.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Темновая фаза фотосинтеза —

путь превращения углерода

 

Сущность темновых реакций процесса фотосинтеза была раскрыта благодаря исследованиям М. Кальвина. При этом успех работы определялся широким применением новых методов исследования.

 

Сз-путь фотосинтеза (цикл Кальвина)

 

Первый метод, использованный Кальвином,— метод радиоактивного углерода. Радиоактивные изотопы по химическим свойствам практически не отличаются от стабильных. Принимая участие в реакциях, они как бы помечают те соединения, в которые входят.

 Скорость распада радиоактивных  изотопов пропорциональна их  количеству. Излучение, испускаемое  ими в процессе разложения, может  быть легко измерено. Все это  создает возможность использования

метода радиоактивных изотопов при изучении химизма фотосинтеза.

 

Второй метод — хроматография на бумаге. Если вещества, разогнанные на хроматограмме, содержат радиоактивные атомы, то их легко обнаружить с помощью радиоавтографии. Применяя указанные методы и короткие световые экспозиции можно определить, какие вещества и в какой последовательности образуются из 14СО2.

В качестве объекта исследований была взята зеленая водоросль хлорелла. После кратковременных экспозиций на свету в присутствии 14СО2 растения фиксировались горячим спиртом. Спиртовой экстракт концентрировался, разделялся хроматографически и анализировался. Опыты показали, что через 5 с пребывания в атмосфере 14СО2 на свету большая часть радиоактивного углерода сосредоточивается в трехуглеродном соединении —3-фосфоглицериновой кислоте (3-ФГК). Кальвин выдвинул предположение, что в хлоропластах имеется какое-то вещество-акцептор, которое, взаимодействуя с СО2, образует фосфоглицериновую кислоту (акцептор + СО2 -> ФГК). Для того чтобы установить природу акцептора, была проведена серия опытов с изменяющимися внешними условиями (смена света и темноты в присутствии и в отсутствие 14СО2). Оказалось, что после выключения света содержание ФГК некоторое время продолжает расти. Одновременно наблюдалось быстрое исчезновение пятиуглеродного соединения — рибулезодифосфата (РДФ). Через 30 с РДФ не обнаруживался, а количество ФГК не изменялось.

 

Вместе с тем на свету РДФ не исчезал и его содержание оставалось постоянным. Иная картина наблюдалась в отсутствие СО2. В этом случае ни в темноте, ни на свету содержание РДФ не изменялось. Из полученных данных следовало, что в присутствии СО2 РДФ в темноте используется для образования ФГК. Дальнейшие превращения ФГК требуют света. В силу этого Кальвин выдвинул следующую предварительную схему процесса фотосинтеза:

 

 

 

      

 

 

 

 

 

     Согласно этой  схеме РДФ является акцептором, который присоединяет СО2, в результате  чего образуется ФГК. Однако  в отсутствие света РДФ быстро  оказывается использованным и  исчезает. При  этом накапливается  известное количество ФГК. Именно  это и наблюдалось в эксперименте. На свету при участии продуктов световой фазы происходит восстановление ФГК до фосфоглицеринового альдегида (ФГА). Судьба образовавшихся молекул ФГА различна. Частично путем ряда превращений ФГА используется на регенерацию акцептора (РДФ). Для процесса регенерации РДФ также необходима АТФ, образовавшаяся в световой фазе. В силу этого количество РДФ на свету поддерживается на постоянном уровне. В каждом цикле принимают участие три молекулы акцептора (РДФ) и образуется 6 молекул триозы (ФГА). Пять молекул ФГА идет на регенерацию акцептора через ряд промежуточных продуктов (на схеме А, Б, В). Каждая шестая молекула ФГА выходит из цикла и используется для построения углеводов. В связи с этим темновые реакции фотосинтеза можно представить как разветвленный цикл. Рассмотрим этот цикл более подробно.

 

Цикл Кальвина можно разделить на фазы.

 

Первая фаза — карбоксилирование. Эта реакция катализируется специфическим для процесса фотосинтеза ферментом РДФ-карбоксилазой. В листьях этот фермент содержится в больших количествах и является основной фракцией белка хлоропластов. По-видимому, его образование активируется светом.

 

При взаимодействии РДФ с СО2 образуется сначала промежуточное нестойкое шестиуглеродное соединение, которое затем распадается на две молекулы ФГК.

 

Образовавшаяся ФГК. — это органическая кислота, и ее энергетический уровень ниже уровня сахаров. Поэтому это соединение не может непосредственно превращаться в углеводы. Необходимо превращение его в трехуглеродный сахар — фосфоглицериновый альдегид (ФГА).

 

 

 

 

 

 

 

 

     Вторая фаза  — восстановление. Дальнейшие превращения  ФГК требуют участия продуктов  световой фазы фотосинтеза: АТФ  и НАДФ-Н+ + Н+. Реакция идет в  два этапа. Прежде всего, происходит  реакция фосфорилирования 3-ФГК.  Донором фосфатной группы является  АТФ. АТФ требуется здесь в  качестве дополнительного источника  энергии. Образуется 1, 3-дифосфоглицериновая  кислота. Реакция катализируется  ферментом фосфоглицерокиназой:

 

 

 

 

 

     Образовавшееся  в этой реакции соединение  — дифосфоглицериновая кислота  — обладает более высокой реакционной  способностью, содержит макроэргическую  связь, полученную от АТФ. Затем  карбоксильная группировка этого  соединения восстанавливается до  альдегидной с помощью триозофосфатдегидрогеназы, коферментом которой служит НАДФ:

 

 

 

 

 

Образовавшийся ФГА является по уровню восстановленности углеводом. Это соединШие вступает в две последние фазы. Оно используется на регенерацию акцептора РДФ (5 молекул) для того, чтобы фиксация СО2 могла снова осуществляться. Оставшаяся шестая молекула вступает в фазу «синтеза продуктов», где превращается в более сложные соединения (углеводы, аминокислоты и др.).

 

Третья фаза — регенерация. В процессе регенерации акцептора используется пять молекул ФГА, в результате чего образуются три молекулы рибулезо-5-фосфата. Этот процесс идет через образование 4-, 5-, 6,7-углеродных соединений. Прежде всего, первая молекула ФГА изомеризуется до фосфодиоксиацетона. Процесс катализируется ферментом триозофосфатизомеразой:

 

 

 

Фосфодиоксиацетон (ФДА) взаимодействует со второй молекулой ФГА с образованием фруктозодифосфата (ФДФ):

 

 

 

 

 

 

 

От ФДФ отщепляется фосфат, и ФДФ превращается во фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф). Далее от Ф-6-Ф (Се) отщепляется 2-углеродный фрагмент (— СО — СН2ОН), который переносится на следующую (третью) триозу. Это транскетолазная реакция идет при участии фермента транскетолазы. В результате образуется первая пентоза (С5)-рибулезофосфат. От Ф-6-Ф остается 4-углеродный сахар эритрозофосфат (С4), который конденсируется с четвертой триозой с образованием седогептулезодифосфата (С7). После отщепления фосфата седогептулезодифосфат превращается в седогептулезофосфат. Далее снова происходит транскетолазная реакция, в результате которой от седогептулезофосфата отщепляется 2-углеродный фрагмент, который переносится на пятую триозу. Образуются еще две молекулы рибулезофосфата. Таким образом, в результате рассмотренных реакций образовались 3 молекулы рибулезофосфата. Для образования из них акцептора (РДФ) необходимо их фосфорилирование. Для этого используются три молекулы АТФ (образовавшиеся в результате световых реакций). Все реакции, входящие в цикл Кальвина, представлены на схеме (рис. 18).

 

Общее суммарное уравнение цикла следующее:

 

3РДФ + ЗСО2 + 9АТФ + 6НАДФ-Н2 -> 3РДФ + ФГА ++ 9АДФ + 8ФН+ЗН20 + НАДФ

 

Образовавшийся триозофосфат (ФГА) вступает в четвертую стадию темновых реакций — стадию образования продуктов фотосинтеза.

 

 

 

 

 

Рис.18. Путь углерода в фотосинтезе (цикл Кальвина)

 

 

 

При прохождении двух циклов из 12 молекул образовавшегося ФГА две молекулы выходят из них, образуя одну молекулу фруктозодифосфата (ФДФ). Из двух молекул фруктозодифосфата (Ф-1, 6-диФ) образуются фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф) и глюкозо-1-фосфат (Г-1-Ф). Глюкозо-1-фосфат, взаимодействуя с уридинтрифосфатом (УТФ), дает уридиндифосфоглюкозу (УДФГ). В свою очередь УДФГ, реагируя с Ф-6-Ф, дает сахарозофосфат. Из сахарозофосфата путем дефосфорилирования образуется сахароза. Для образования одной молекулы сахарозы необходимо, чтобы прошли четыре цикла Кальвина:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         По-видимому, именно сахароза является первым  свободным сахаром, образующимся  в процессе фотосинтеза. Из  сахарозы образуются нефосфорилированные  моносахара (глюкоза, и фруктоза). Крахмал образуется из аденозиндифосфоглюкозы {АДФГ) или уридиндифосфоглюкозы (УДФГ), процесс катализируется ферментом амилосинтетазой.

 

Среди первых продуктов фотосинтеза обнаружены такие аминокислоты, как аланин, серии, глютаминовая кислота, глицин. По-видимому, ФГК, образовавшаяся на первом этапе цикла Кальвина, может превращаться в пировиноградную кислоту. Этот процесс идет особенно интенсивно при недостатке НАДФ ∙ Н2, из-за чего задерживается преобразование ФГК в ФГА (обычный путь в цикле Кальвина). Пировиноградная кислота в присутствии NH3 дает аминокислоту аланин. Показано, что скорость включения 14СО2 в аланин в клетках хлореллы при некоторых условиях может даже превышать скорость ее включения в сахарозу. Из пировиноградной кислоты может образоваться еще ряд органических кислот (в цикле Кребса). Образовавшиеся органические кислоты в процессе аминирования или переаминирования дают аминокислоты. Сам по себе синтез аминокислот еще не означает образование белков. Однако было показано, что между этими двумя процессами имеется прямая связь. Так, под влиянием освещения синими лучами (458—480 нм) усиливается фотосинтетическое образование как аминокислот, так и белков. В присутствии ингибиторов синтеза белка действие синего света не проявляется.

 

Наконец, наряду с углеводами и аминокислотами из промежуточных продуктов цикла Кальвина могут образовываться жиры, липиды и другие продукты. Состав продуктов, образующихся при фотосинтезе, может быть определен исходя из величин фотосинтетического коэффициента. Под фотосинтетическим коэффициентом понимается отношение выделенного в процессе фотосинтеза кислорода к поглощенному СО2. Если в процессе фотосинтеза образуются углеводы, то, согласно приведенному суммарному уравнению, фотосинтетический коэффициент должен быть равен единице: 6 О2: 6 СО2= 1. При образовании соединений, более восстановленных (содержащих меньше кислорода) по сравнению с углеводами, фотосинтетический коэффициент должен быть больше единицы. В случае образования белков фотосинтетический коэффициент равен 1,25, в случае жира—1,44. Средняя величина фотосинтетического коэффициента для 27 видов растений оказалась равной 1,04. Расчеты показали, что такая величина фотосинтетического коэффициента

указывает на образование наряду с углеводами некоторого количества белка (примерно 12%). Оказалось, далее, что величина фотосинтетического коэффициента меняется в зависимости от условий.

Преобладание синих лучей над красными приводит к увеличению доли образующихся белков, тогда как красный свет благоприятствует образованию углеводов (Н. П. Воскресенская). Усиление снабжения растений азотом, естественно, также приводит к повышению фотосинтетического коэффициента и увеличению первичного синтеза белка. Имеются данные, что на качество продуктов фотосинтеза оказывает влияние интенсивность освещения. При высокой освещенности больше образуется углеводов, а при пониженной — аминокислот. Таким образом, изменяя условия среды, можно регулировать соотношение продуктов фотосинтеза. Указанные закономерности имеют большое не только теоретическое, но и практическое значение, так как позволяют направленно регулировать химический состав сельскохозяйственных растений и создавать условия для преимущественного синтеза углеводов, белков или жиров (А. А. Ничипорович). Выяснение механизма регуляции образования тех или иных продуктов фотосинтеза даст возможность улучшить состав сельскохозяйственных культур. Примером в этом отношении могут служить опыты с одноклеточной водорослью хлореллой, у которой удалось повысить содержание аминокислот и жиров за счет снижения содержания углеводов путем добавления в питательную среду NH4C1 (10~3M). Все же основным продуктом фотосинтеза являются сахара. В связи с этим можно следующим образом расшифровать суммарное уравнение фотосинтеза.

Световые реакции:

 

12НАДФ + 12АДФ+ 12ФН+ 12Н20-> 12НАДФН2 + 12АТФ + 6О2

 

6 АДФ + 6 Ф н  + 6АТФ                нециклическое фосфорилирование

 

                                                                                  циклическое фосфорилирование

 

Темновые реакции:

 

6РДФ +6СО2+12НАДФН2+18АТФ->6РДФ  + С6Н12Об + 6Н2О + 12НАДФ + 18АДФ + 18ФН

 

На основании приведенных реакций можно рассчитать энергетический баланс цикла Кальвина. Для восстановления шести молекул СО2 до уровня углеводов (глюкозы) требуется 18 молекул АТФ

 и 12 НАДФ-Н2. Соответственно  для восстановления до уровня  углеводов одной молекулы ССЬ  необходимы три молекулы АТФ  и две НАДФ ∙ Н2. Как мы  видели, для образования двух  молекул НАДФ ∙ Н2 и двух  молекул АТФ необходимо 8 квантов  света. Недостающее количество  АТФ образуется в процессе  циклического фотофосфорилирования. Следовательно, для восстановления  одной молекулы СО2 до уровня  углеводов должно быть затрачено  8—9 квантов. Энергия квантов  красного света равна 168 кДж/моль. Таким образом, при использовании  квантов красного света на восстановление одной молекулы СО2 до уровня углеводов затрачивается примерно 1340—1508 кДж. Из этой энергии в 1/6 моль гексозы откладывается 478 кДж. КПД фотосинтеза в этом случае должен составить около 30—35%. Однако в естественных условиях коэффициент использования света значительно меньше.