Восстановительный пентозофосфатный цикл
Восстановительный пентозофосфатный цикл, или цикл Кальвина — серия биохимических реакций, осуществляемая при фотосинтезе растениями (в строме хлоропластов), цианобактериями, прохлорофитами и пурпурными бактериями, а также многими бактериями-хемосинтетиками, является наиболее распространённым из механизмов автотрофной фиксации углекислого газа.
Назван в честь американского биохимика Мелвина Кальвина. Часто используются альтернативные названия, указывающие на роль коллег Кальвина в открытии данного биохимического пути (например: цикл Кальвина — Бенсона или цикл Кальвина — Бенсона — Бассама).[1][2]
Стадии
В цикл вовлекаются АТФ и НАДФ·Н, образованные в ЭТЦ фотосинтеза, углекислый газ и вода; основным продуктом является глицеральдегид-3-фосфат. Поскольку АТФ и НАДФ·Н могут образовываться в разных метаболических путях, цикл не следует рассматривать строго привязанным к световой фазе фотосинтеза.
Общий баланс реакций цикла можно представить уравнением:
- 3 CO2 + 6 НАДФ·Н + 6 H+ + 9 АТФ → C3H7O3-PO3 + 3 H2O + 6 НАДФ+ + 9 АДФ + 8 Фн
Две молекулы глицеральдегид-3-фосфата используются для синтеза глюкозы.
Цикл состоит из трёх стадий: на первой под действием фермента рибулозобисфосфат-карбоксилаза/оксигеназа происходит присоединение CO2 к рибулозо-1,5-бисфосфату и расщепление полученной гексозы на две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК). На второй 3-ФГК восстанавливается до глицеральдегид-3-фосфата (фосфоглицеральдегида, ФГА), часть молекул которого выходит из цикла для синтеза глюкозы, а другая часть используется в третьей стадии для регенерации рибулозо-1,5-бисфосфата.
Карбоксилирование
Карбоксилирование рибулозо-1,5-бисфосфата (5-углеродное соединение) осуществляется РуБисКО в несколько стадий. На первой кетонная группа рибулозы восстанавливается до спиртовой, между 2 и 3 атомами углерода устанавливается двойная связь. Полученное соединение нестабильно и именно оно карбоксилируется с образованием 2-карбокси-3-кето-D-арабитол-1,5-бисфосфата. Его структурный аналог 2-карбокси-D-арабитол-1,5-бисфосфат ингибирует весь процесс. Новое, уже 6-углеродное соединение, также нестабильно и распадается на две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (3-фосфоглицерат, 3-ФГК).
Восстановление
Восстановление 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК) происходит в две реакции.
Сначала каждая 3-ФГК с помощью 3-фосфоглицераткиназы и с затратой одной АТФ фосфорилируется, образуя 1,3-бисфосфоглицериновую кислоту (1,3-бисфосфоглицерат).
Затем под действием глицеральдегид-1,3-фосфатдегидрогеназы бисфосфоглицериновая кислота восстанавливается НАД(Ф)·H (у растений и цианобактерий; у пурпурных и зелёных бактерий восстановителем является НАД·H) параллельно с отщеплением одного остатка фосфорной кислоты. Образуется глицеральдегид-3-фосфат (фосфоглицеральдегид, ФГА, триозофосфат). Обе реакции обратимы.
Регенерация
На последней стадии 5 молекул глицеральдегид-3-фосфатов превращаются в три молекулы рибулозо-1,5-бисфосфата. Вначале под действием триозофосфатизомеразы[англ.] глицеральдегид-3-фосфат изомеризуется в дигидроксиацетонфосфат. Фруктозобисфосфатальдолаза объединяет их во фруктозо-6-фосфат с отщеплением остатка фосфорной кислоты. Затем следует ряд реакций перестройки углеродных скелетов и образуется рибулозо-5-фосфат. Он фосфорилируется фосфорибулокиназой и рибулозо-1,5-бисфосфат регенерирует.[3]
.svg)
Правила работы ферментов и строения фосфосахаров, актуальные для стадии регенерации восстановительного пентозофосфатного пути и для неокислительной стадии окислительного пентозофосфатного пути:
- В проекции Фишера на хиральных атомах углерода у всех фосфо-производных альдоз и рибулозы (кетоза) гидроксилы направлены вправо, у всех остальных фосфо-производных кетоз гидроксил на направлен влево, а все остальные - вправо.
- Фосфоальдозы - акцепторы углерод-содержащих групп, их альдегидная группа при акцепции исчезает, они становятся фосфокетозами; фосфокетозы - доноры углерод-содержащих групп, их кето-группа при переносе не исчезает, а они сами становятся фосфоальдозами. Следующие 2 правила согласуются с этим правилом.
- Транскетолазы катализируют перенос двухуглеродного кето-фрагмента с фосфокетозы на фосфоальдозу, при этом фосфокетоза становится фосфоальдозой, а фосфоальдоза, акцептировавшая углерод, лишается альдегидной группы, получает кето-группу, и становится фосфокетозой.
Правила только для цикла Кальвина:
- Альдолаза катализирует объединение фосфоальдозы и фосфокетозы (дигидроксиацетонфосфат), альдегидная группа исчезает, кето-группа остаётся, образуется фосфокетоза.
- Бисфосфатазы гидролизуют бисфосфаты, высвобождая неорганический фосфат в раствор. Превращения образуемых фосфосахаров катализируются транскетолазой и альдолазой.[4]
Открытие
С 1940-х гг. Мелвин Кальвин работал над проблемой фотосинтеза; к 1957 с помощью CO2, меченного по углероду, выяснил химизм усвоения растениями CO2 (восстановительный карбоновый цикл Кальвина) при фотосинтезе. Нобелевская премия по химии (1961).
См. также
- Ацетил-КоА-путь фиксации углекислого газа
- Восстановительный цикл трикарбоновых кислот (Цикл Арнона)
- Гетеротрофная фиксация углекислого газа
- Окислительный пентозофосфатный цикл
- Окислительное фосфорилирование
Примечания
- ↑ Govindjee, Helen Bassham, Susan Bassham. Remembering James Alan Bassham (1922-2012) // Photosynthesis Research. — April 2016. — Т. 128, вып. 1. — С. 3–13. — ISSN 1573-5079. — doi:10.1007/s11120-015-0201-2. Архивировано 3 декабря 2017 года.
- ↑ Bob B. Buchanan, Wilhelm Gruissem, Russel L. Jones. Biochemistry & Molecular Biology of Plants. — Second Edition. — Chichester, West Sussex. — XV, 1264 с. — ISBN 9780470714218.
- ↑ Taiz, L., E. Zeiger, 2002. Plant Physiology. Sinauer Associates, Sunderland, MA 01375, USA
- ↑ 1 2 Robert Horton, Laurence A. Moran, David Rawn, Gray Scrimgeour, Marc Perry. Principles of Biochemistry, 5th Edition. — Pearson, 2011. — С. 464. — 824 с. — ISBN 9780321707338.
Ссылки
- Bassham J., Benson A., Calvin M. The path of carbon in photosynthesis Архивная копия от 19 февраля 2009 на Wayback Machine // J Biol Chem, 1950, № 185 (2): 781-7. (англ.)
- Calvin Cycle - Photosynthetic Dark Reaction (англ.)