Пути включения азота и углекислого газа в метаболизм эукариот и прокариот

СОДЕРЖАНИЕ
1 Включение азота в метаболизм у прокариот………………………………………3
1.1 Источники азота в прокариотической клетке…………………………………..3
1.2 Синтез азотсодержащих соединений у прокариот……………………………..5
2 Включение углерода в метаболизм у прокариот…………………………………6
2.1 Источники углерода в прокариотической клетке……………………………….6
2.2 Синтез углеводов у прокариотов………………………………………………7
3 Включение углерода в метаболизм у эукариот………………………………….12
3.1 Источники углерода в растительной клетке…………………………………12
3.2 Синтез углеводов у растений…………………………………………………12
3.2.1 Реакции световой фазы фотосинтеза……………………………………..12
3.2.2 Реакции темновой фазы фотосинтеза…………………………………….14
Литература…………………………………………………………………………….18

1 Включение азота в метаболизм у прокариотов
1.1 Источники азота в прокариотической клетке
Самым важным источником азота является воздух, почти на 80% состоящий из молекулярного азота (N2). Существуют организмы, способные как связывать атмосферный азот, так и снова высвобождать его в атмосферу. Переход азота из атмосферы в биосферу и обратно создает круговорот (цикл) азота.
Первой стадией этого цикла является фиксация (восстановление) азота из атмосферы азотфиксирующими бактериями с образованием молекул аммиака (NH3) или ионов аммония (NH4+).
Почвенные бактерии получают энергию за счет окисления аммиака сначала до нитритов (NO2–), а затем до нитратов (NO3–), поэтому практически весь аммиак, попадающий в почву, окисляется до нитратов. Этот процесс получил название нитрификации. В качестве конечного акцептора электронов вместо кислорода почвенные бактерии используют нитраты во множестве реакций, в том числе, и в реакциях окислительного фосфорилирования. Выделено две группы нитрифицирующих бактерий: бактерии, окисляющие аммиак до нитритов, и бактерии, окисляющие нитриты до нитратов.
Относительно недавно были открыты бактерии, в клетках которых происходит анаэробное окисление аммиака – анаммокс. Облигатные анаэробы осуществляют превращение аммиака и нитрита в молекулярный азот. Этот процесс, обратный связыванию атмосферного азота, получил название денитрификации. Процессы нитрификации и денитрификации поддерживают баланс между фиксированным и атмосферным азотом.
Многие виды прокариотов способны восстанавливать нитриты и нитраты. При попадании в бактериальную клетку нитриты и нитраты восстанавливаются до аммиака в реакциях, катализируемых ферментами нитрито- и нитраторедуктазами.[1, 506]
Реакции восстановления нитритов и нитратов:
NO3– + НАД∙Н2 → NO2– + НАД+ + Н2О
(перенос двух электронов на NO3–)
NO2– + 3НАД∙Н2 + Н+ → NH3 + 3НАД+ + 2Н2О
(перенос шести электронов на NO2–)
Ионы аммония могут включаться в состав органических молекул непосредственно при участии ферментов класса синтетаз. Некоторые прокариоты могут встраивать «незаменимые» аминокислоты в собственные белки в неизмененном виде, не подвергая их предварительной аммонификации. [4, 387]
Ферментная система, катализирующая восстановление N2 до ионов аммония, получила название нитрогеназа (нитрогеназный комплекс). В состав нитрогеназы входят редуктаза динитрогеназы и собственно динитрогеназа. Оба этих компонента состоят из ферредоксинов, содержащих железо-серные кластеры. Помимо этого, в состав нитрогеназы входит молибден. Редуктаза передает на нитрогеназу электроны с использованием энергии АТФ. [4, 386]
В составе активного центра тримера присутствуют два атома молибдена, тридцать два атома железа и тридцать атомов серы. Примерно половина атомов железа и серы расположены в составе Р-кластеров, в каждом из них есть по два близкорасположенных центра 4Fe-4S. Остальные атомы молибдена, железа и серы являются компонентами железо-молибденового кофактора. Существует нитрогеназа, активный центр которой содержит ванадий вместо молибдена, а некоторые виды бактерий имеют оба этих типа нитрогеназ. Фиксация азота производится полностью восстановленной формой динитрогеназы.
Реакция образования ионов аммония из молекулярного азота [1, 510]:
N2 + 8е– + 10Н+ + 16АТФ → 2NH4+ + 16АДФ + 16Фн + Н2
На восстановление молекулярного азота требуется шесть электронов и еще два электрона требуется на получение одной молекулы водорода. Динитрогеназа восстанавливается посредством переноса электронов с редуктазы динитрогеназы.
Восстановленный азот в виде иона аммония включается в аминокислоты и другие азотсодержащие соединения. Для фиксации ионов аммония используются реакции образования глутаминовой кислоты и глутамина. Наиболее важными в процессе включения иона аммония в состав органических соединений являются две реакции.
Образование глутамина из глутаминовой кислоты и иона аммония, фермент – глутаминсинтетаза, реакция протекает в 2 стадии:
1) глутамат + АТФ → γ-глутамилфосфат + АДФ
2) γ-глутамилфосфат + NH4+ → глутамин + Фн + Н+
Суммарное уравнение реакции:
глутамат + NH4+ + АТФ → глутамин + Фн + Н+
У бактерий глутаминовая кислота синтезируется из глутамина в и α-кетоглутарата с участием НАДФ, фермент – глутаматсинтаза:
α-кетоглутарат + глутамин + НАДФ∙Н2 → 2глутамат + НАДФ+
Суммарная реакция, катализируемая двумя ферментами – глутаматсинтетазой и глутаматсинтазой:
α-кетоглутарат + NH4+ + НАДФ∙Н2 + АТФ → L-глутамат + НАДФ+ + АДФ + ФнГлутамат также можно получить по реакции между α-кетоглутаратом и NH4+, которая протекает в одну стадию, фермет – L-глутаматдегидрогеназа:
α-кетоглутарат + NH4+ + НАДФ∙Н → L-глутамат + НАДФ+ + Н2О
У почвенных азотфиксирующих бактерий преобладает двухферментный путь биосинтеза глутаминовой кислоты.
1.2 Синтез азотсодержащих соединений у прокариотов
Большинство прокариот способно синтезировать все 20 аминокислот, входящих в состав клеточных белков. Углеродными скелетами аминокислот являются промежуточные продукты различных метаболических путей. Азот вводится в молекулу посредством реакций аминирования, амидиования и переаминирования. Прямое введение аминного азота (прямое аминирование) приводит к образованию L-аланина, L-аспарагиновой кислоты, L-глутаминовой кислоты и L-глутамина. Остальные аминокислоты получают свою аминогруппу в результате переаминирования, с одной из «первичных» аминокислот.
Аланин образуется из пировиноградной кислоты, глутаминовая кислота – из α-кетоглутаровой кислоты:
В реакциях амидирования образуются глутамин и аспарагин из глутаминовой и аспарагиновой кислот:
В синтезе практически всех аминокислот и других азотсодержащих соединений глутамин и глутаминовая кислота служат донорами амидо- и аминогрупп. Аспарагин используется исключительно как мономер при синтезе бактериальных пептидов и белков.
Помимо аминокислот, азот аммиака также включается в карбамоилфосфат, впоследствии используемый для синтеза пиримидиновых оснований или аргинина:
Атомы азота и аминогруппы пуринов и аминосодержаших пиримидинов включаются в азотистые основания в реакциях переаминирования из аспарагина и глутамина.
Синтез белков (трансляция) происходит в цитоплазме прокариотической клетки и сопряжен с процессом транскрипции (образованием м-РНК).
2 Включение углерода в метаболизм у прокариотов
2.1 Источники углерода в прокариотической клетке.
В зависимости от вида источника углерода все живые организмы разделяются на две группы – автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы в качестве источника углерода используют СО2 (и другие одноуглеродные соединения – метан, муравьиную кислоту, метиловый спирт и т.д.), гетеротрофы – сложные органические соединения.
По степени гетеротрофности выделяют несколько групп прокариот:
1) облигатные внутриклеточные паразиты – утратили некоторые метаболические пути, поэтому полностью зависимы от метаболизма клетки-хозяина и вне ее существовать не могут;
2) факультативные паразиты – прокариоты, способные существовать вне клетки-хозяина при создании определенных оптимальных для них условий (сложные питательные среды);
3) сапрофиты – непосредственно не зависят от других клеток, но для их существования необходимы определенный набор готовых органических веществ или одно вещество; сапрофиты обычно используют в качестве субстрата продукты жизнедеятельности других организмов или разлагающиеся ткани растений и животных; в связи с этим сапрофиты можно разделить на более мелкие группы:
а) сапрофиты на сложном субстрате;
б) сапрофиты на ограниченном количестве субстратов;
в) сапрофиты на одном субстрате;
4) олиготрофы – прокариоты, способные расти при низких концентрациях органических веществ в среде.
В зависимости от источника энергии, используемого для синтеза углеводов, можно выделить следующие метаболические группы прокариот:
1) фототрофы – используют энергию солнечного света для синтеза углеводов и других органических веществ:
а) фотоавтотрофы (фотосинтезирующие бактерии) – цианобактерии (сине-зеленые водоросли), серные, пурпурные бактерии;
б) фотогетеротрофы – галобактерии, осуществляющие родопсиновый фотосинтез, некоторые пурпурные бактерии, осуществляющие аноксигенный фотосинтез;
2) хемотрофы – используют энергию химических процессов для синтеза углеводов и других органических веществ:
а) хемолитоавтотрофы – метановые и сульфатредуцирующие бактерии;
б) хемолитогетеротрофы – железобактерии, термоацидофильные сульфатредуцирующие и метановые бактерии;
в) хемоорганоавтотрофы – сульфатредукторы, которые в качестве источника энергии используют муравьиную кислоту, реже метанол;
г) хемоорганогетеротрофы – большинство грамположительных бактерий.
2.2 Синтез углеводов у прокариотов
Фотосинтезирующие прокариоты, являясь фотоавтотрофами, используют в качестве источника углерода углекислый газ, восстанавливая его в присутствии воды до гексоз с выделением или без выделения кислорода. Процесс идет с потреблением энергии АТФ и НАДФ, которые образуются в результате светозависимых реакций фотосинтеза.
Фотосинтез – процесс, при котором энергия образуется в реакциях фотофосфорилирования.
Синтез АТФ связан с фотосинтетическим электронным транспортом за счет энергии света.
Компоненты фотосистемы прокариот:
1) пигментные системы – антенны;
2) доноры электронов (Н2, Н2О, Н2S);
3) цепь переносчиков: цитохромы, убихиноны и ферредоксины, которые передают электроны на НАД.
Пигменты, поглощающие свет, белки в составе пигмент-белковых мембранных комплексов и окислительно-восстановительные компоненты фотосинтетического аппарата у всех фотосинтезирующих организмов в основном сходны.
Типы бактериального фотосинтеза
1) зависимый от бактериохлорофилла бескислородный (аноксигенный) фотосинтез (кислород не образуется, донор электронов – Н2;
2) зависимый от хлорофилла кислородный (оксигенный) фотосинтез (кислород образуется, донор – Н2О);
3) зависимый от бактериородопсина бескислородный фотосинтез.
Бескислородный фотосинтез характерен для двух групп прокариот – цианобактерий и прохлорофитов. Пурпурные и зеленые бактерии, а также гелиобактерии осуществляют фотосинтез с выделением кислорода.
Аноксигенные фототрофные прокариоты имеют фотохимические реакционные центры одного типа. У оксигенных фототрофов последовательно соединены реакционные центры двух типов – фотосистемы I и фотосистемы ΙΙ.
При оксигенном фотосинтезе образуется электрохимический протонный потенциал и восстановительные эквиваленты в виде НAДФ∙H, используемые для фиксации СО2.
За счет аноксигенного фотосинтеза на фотосинтетической мембране возникает электрохимический протонный градиент, используемый для синтеза АТФ.
В фотосинтезе принимают участие три группы пигментов:
1) хлорофиллы (осуществляют фотохимический процесс передачи энергии света в реакционные центры);
2) каротиноиды;
3) фикобилипротеины.
Выделено два типа хлорофилла (a и b) и шесть типов бактериохлорофилла (а, b, с, d, e, g). Хлорофилл а и бактериохлорофиллы а, b и g – пигменты реакционных центров, входящие наряду с другими пигментами в состав поглощающих световую энергию антенн.
В фотосинтезе с участием хлорофиллов, выделяют следующие стадии:
1) поглощение квантов света пигментами;
2) разделение протонов и электронов с созданием электрохимического градиента;
3) образование восстановителя с низким окислительно-восстановительным потенциалом и окислителя с высоким окислительно-восстановительным потенциалом;
4) перенос электронов с восстановителя на окислитель по электрохимическому градиенту с высвобождением энергии.
Подавляющее большинство фотоавтотрофов синтезирует гексозы в реакциях восстановительного пентозофосфатного цикла – цикла Кальвина (подробнее о цикле Кальвина см. в разделе «Синтез углеводов у растений»).
Цикл Арнона (восстановительный цикл трикарбоновых кислот, обратный цикл трикарбоновых кислот, обратный цикл Кребса) был обнаружен у зеленых серобактерий. Цикл Арнона отличается от цикла Кребса обратным направлением реакций: там, где в цикле Кребса сахара окисляются до диоксида углерода и воды, в обратном цикле CO2 и вода используются для синтеза новых соединений. В цикле Арнона происходят реакции восстановительного карбоксилирования органических кислот. Углекислый газ фиксируется в четырех ферментативных реакциях, две из которых идут при участии фотохимически восстановленного ферредоксина (Фдвосст), а одна – с участием образованного фотохимическим путем НАД∙H2. За один оборот полного цикла из 4 молекул CO2 и 10[Н] с использованием энергии 3 молекул АТФ синтезируется 1 молекула оксалоацетата (ЩУК). За один оборот короткого цикла фиксируются 2 молекулы CO2 и 8[Н] с использованием энергии 1 молекулы АТФ. Конечным продуктом в коротком цикле является ацетил-КоА [3, 293 с.].
Реакции цикла Арнона:
1) образование яблочной кислоты из ЩУК, фермент – малатдегидрогеназа:
+ НАД∙H2 → + НАД+
ЩУК малат
2) образование фумаровой кислоты, фермент – фумаратгидратаза (фумараза):
→ + Н2О;
фумарат3) образование янтарной кислоты, фермент – фумаратредуктаза:
+ Фдвосст → + Фдокисл сукцинат4) образование сукцинил-КоА, фермент – сукцинил-КоА-синтетаза:
+ КоА-SH + АТФ → + АДФ + Фн сукцинил-КоА5) образование α-кетоглутаровой кислоты, фермент – α-кетоглутаратсинтаза:
+ СО2 + Фдвосст → + Фдокисл + КоА-SH
α-кетоглутарат6) образование изолимонной кислоты, фермент – изоцитратдегидрогеназа:
+ СО2 + НАД∙H2 → + НАД+
изоцитрат7) образование цис-аконитовой кислоты, фермент – аконитатгидратаза (аконитаза):
→ + Н2О
цис-аконитат8) образование лимонной кислоты, фермент – аконитатгидратаза (аконитаза):
+ Н2О →
цитрат
9) образование ЩУК и ацетил-КоА (регенерация ЩУК) – завершение короткого цикла, фермент – АТФ-цитратлиаза:
+ АТФ + КоА-SH → + СН3СО-S-КоА + АДФ + Фн ЩУК
Далее ацетил-КоА используется либо в реакциях полного цикла Арнона, либо в других реакциях клеточного анаболизма.
10) образование ПВК, фермент – пируватсинтаза:
СН3СО-S-КоА + СО2 + Фдвосст → СН3–СО–СООН + Фдокисл + КоА-SH
ПВК
11) образование фосфоенолпирувата (ФЕП):
СН3–СО–СООН + АТФ + Н2О → + АДФ + Фн ФЕП
13) образование ЩУК – завершение полного цикла Арнона, фермент – ФЕП-карбоксилаза:
+ СО2 → + Фн ЩУК
Ацетил-КоА, как конечный продукт короткого цикла, вступает в реакции:
1) образование ПВК:
СН3СО-S-КоА + СО2 + Фдвосст → СН3–СО–СООН + Фдокисл + КоА-SH;
2) образование ФЕП:
СН3–СО–СООН + АТФ + Н2О → ФЕП + АДФ + Фн;
3) образование глицеральдегид-3-фосфата:
ФЕП + АТФ + 2H+ → глицеральдегид-3-фосфат + АМФ + ФФн.
Глицеральдегид-3-фосфат используется на нужды клеточного анаболизма (синтез моносахаро, липидов и т.д.).
У некоторых анаэробных прокариотов, являющихся хемоавтотрофами, фиксация СО2 происходит по не замкнутому в цикл ацетил-КоА-пути. Образующийся ацетил-КоА так же вступает в реакцию образования ПВК.
Реакции ацетил-КоА-пути:
1) образование формиата, фермент – формиатдегидрогеназа:
СО2 + НАД∙H2 → НСООН + НАД+
2) образование формил-ТГФК, фермент – формил-ТГФК-синтаза:
НСООН + АТФ + ТГФК → НСО-ТГФК + АДФ
3) образование метил-ТГФК:
НСО-ТГФК → СН3-ТГФК
4) образование ацетил-КоА, фермент – ацетил-КоА-синтазаСН3-ТГФК + СО2 + КоА-SH + Фдвосст → СН3СО-S-КоА + Фдокисл + ТГФК + Н2О
5) образование ацетилфосфата, фермент – фосфотрансацетилазаСН3СО-S-КоА + Фн → СН3СО-О~Ф + КоА-SH
6) образование ацетата и АТФ, фермент – ацетаткиназа:
СН3СО-О~Ф + АДФ → СН3СООН + АТФ [3, 244].
3 Включение углерода в метаболизм у эукариот
3.1 Источники углерода в растительной клетке.
Подавляющее большинство растений является облигатными фотоавтотрофами. Растения могут синтезировать углеводы из СО2 и воды. Суммарное уравнение этой реакции имеет вид:
2900587104775006СО2 + 6Н2О + hν С6Н12О6 + 6О2
хлорофилл
3.2 Синтез углеводов у растений.
3.2.1 Реакции световой фазы фотосинтеза
Ассимиляция СО2 происходит в хлоропластах. Хлоропласты – мембранные органеллы, являющиеся разновидностью пластид. Хлорофилл и другие фотосинтетические пигменты (каротиноиды) в хлоропластах располагаются в продольных мембранах разной длины – ламеллах, погруженных в матрикс (строму). Ламеллы соединяются друг с другом, образуя тилакоиды – дисковидные структуры. Плотно прилегающие друг к другу тилакоиды образуют граны. Тилакоиды подразделяются на еще более мелкие части – квантосомы. Квантосома – это глобулярное образование мембран хлоропластов, которое содержит все компоненты электронтранспортной цепи и пигмент-белковые комплексы. Именно в этих образованиях происходит фотосинтез.
У растений известно несколько типов хлорофилла (a, b), основным является хлорофилл а. Молекула хлорофилла состоит из порфириновой «головки» с атомом магния в центре и фитольного «хвоста». Порфириновая «головка» представляет собой плоскую структуру, является гидрофильной и поэтому лежит на той поверхности мембраны, которая обращена к водной среде матрикса хлоропласта. Гидрофобный фитольный «хвост» обеспечивает прикрепление молекулу хлорофилла к мембране.
Рис. 1. Хлорофилл а.
Молекулы хлорофилла в мембранах тилакоидов организованы в фотосистемы. У растений различают две фотосистемы – фотосистема-1 и фотосистема-2.
Хлорофилл а представлен формами с различным спектром поглощения. В фотосистеме-1 это хлорофилл а с максимумом поглощения при 700 нм, а в фотосистеме-2 – с максимумом поглощения 680 нм. В обеих фотосистемах не все молекулы пигментов непосредственно участвуют в фотосинтезе. Большинство молекул квантосом выполняют функцию антенн, улавливающих свет, и передают световую энергию реактивному центру фотосинтетической единицы, который в фотосистеме-1 представляет собой хлорофилл аР700, а в фотосистеме-2 - хлорофилл аР680.
Фотосинтез – сложный многоэтапный процесс. Реакции фотосинтеза объединяются в две группы: реакции световой (светозависимой) фазы и реакции темновой (светонезависимой) фазы.
В световую фазу протекает два этапа фотосинтеза. Первый – фотохимическое разложение (фотолиз) воды с участием хлорофилла, белков электронотранспортной цепи и АТФ-синтетазы. При поглощении квантов света происходит возбуждение электронов в молекулах хлорофилла, что приводит к их перемещению на внешнюю сторону мембраны тилакоида. Мембрана при этом получает положительный заряд. Хлорофилл компенсирует потерю электронов окислением воды. Фотолиз воды приводит к накоплению протонов во внутритилакоидном пространстве (протонном резервуаре):
Н2О + hν → Н+ + ОН–.
Теряя электрон, гидроксид-ионы превращаются в гидроксид-радикалы:
ОН– → ОН• + е–.При объединении гидроксид радикалов образуется вода и выделяется кислород:
4НО• → 2Н2О + О2.
На втором этапе накопление положительных зарядов (протонов) с внутренней стороны мембраны и отрицательных зарядов (электронов) – с внешней – создает электрохимический градиент, разность потенциалов. По достижении значением разности потенциалов величины в 200 мВ протоны перемещаются по каналу АТФ-синтетазы. Высвобождающаяся в процессе перехода энергия используется для фосфорилирования АДФ до АТФ. Атомы водорода при этом идут на восстановление НАДФ+ до НАДФ∙Н2:
2Н+ + 2е– + НАДФ+ → НАДФ∙Н2.
Таким образом, световая фаза фотосинтеза характеризуется тремя процессами:
1) синтезом АТФ;
2) синтезом НАДФ∙Н2;
3) выделением молекулярного кислорода.
Газообразный кислород выделяется в атмосферу. АТФ и НАДФ∙Н2 включаются в химические реакции темновой фазы фотосинтеза – восстановительный пентозофосфатный путь (цикл Кальвина).
3.2 Реакции темновой фазы фотосинтеза
Реакции темновой фазы проходят в матриксе хлоропластов.
Цикл Кальвина – восстановительный пентозофосфатный путь, цикл фотосинтетического восстановления углерода, – включает в себя три стадии.
Первая стадия – фиксация СО2. Ассимиляция диоксида углерода, поглощаемого из воздуха, начинается с присоединения к трём молекулам пятиуглеродного акцептора – рибулозо-1,5-бисфосфата (фермент – рибулозо-1,5-бисфосфат-карбоксилаза/оксигеназа – рубиско) – трёх молекул СО2. Поскольку вновь полученное шестиуглеродное соединение нестойко, оно распадается с образованием двух молекул 3-фосфоглицериновой кислоты (всего – 6 молекул):
3 + 3СО2 → 6
3-фосфоглицерат
Вторая стадия – восстановление. В следующей реакции цикла Кальвина 3-фосфоглицериновая кислота восстанавливается до триозофосфатов:
6 + 6АТФ + 6НАДФ∙Н2 → 6 + 6АДФ + 6Фн
глицеральдегид-
3-фосфат
На второй стадии цикла расходуются шесть молекул АТФ и шесть молекул НАДФ∙Н2, произведенных в световую фазу фотосинтеза.
В итоге три молекулы углекислого газа фиксируются в трех молекулах рибулозо-1,5-бисфосфата с образованием шести молекул глицеральдегид-3-фосфата в равновесии с дигидроксиацетонфосфатом. Взаимные превращения глицеральдегид-3-фосфата и дигидроксиацетонфосфата катализируются ферментом триозофосфатизомеразой.
Третья стадия – регенерация акцептора. На третьей стадии из пяти молекул триозофосфата образуется три молекулы рибулозо-1,5-бисфосфата, цикл замыкается:
5 + 3АТФ → 3 + 3АДФ
Последняя молекула триозофосфата используется для синтеза гексоз с последующим образованием сахарозы или крахмала.
В цикле Кальвина на каждые 3 ассимилированных молекулы СО2 затрачивается 9 молекул АТФ и 6 молекул НАДФН2, которые синтезируются световую фазу фотосинтеза. [1, 409 с.]
Итогом работы цикла Кальвина является образование молекулы D-глюкозы из 6 молекул СО2 и 6 молекул воды.
Общее уравнение цикла Кальвина имеет вид:
6Рибулозо-1,5-бифосфат + 6СО2 + 18АТФ + 12Н2О + 12НАДФ∙Н2 →
→ 6Рибулозо-1,5-бифосфат + С6Н12О6 + 18Фн + 18АДФ + 12НАДФ+ [2, 703 с.]
Рибулозо-1,5-бифосфат вписан в обе части уравнения, чтобы показать, что имеет место цикл, в котором происходит постоянная регенерация акцептора диоксида углерода.
Если из обеих частей уравнения убрать рибулозо-1,5-бифосфат, мы получим суммарное уравнение образования одной молекулы глюкозы:
6СО2 + 18АТФ + 12Н2О + 12НАДФ∙Н2 →
→ С6Н12О6 + 18Фн + 18АДФ + 12НАДФ+
Последовательность реакций цикла Кальвина, приводящая к образованию молекулы глюкозы:
1) 6СО2 + 6Рибулозо-1,5-бифосфат + 6Н2О → 12 3-фосфоглицерат (фермент – рубиско)
2) 12 3-фосфоглицерат + 12АТФ → 12 1,3-бифосфоглицерат + 12АДФ (фермент – 3-фосфоглицераткиназа)
3) 12 1,3-бифосфоглицерат + 12НАДФ∙Н2 →
→ 12Глицеральдегид-3-фосфат + 12НАДФ+ + 12Фн (фермент – глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа)
4) 5Глицеральдегид-3-фосфат → 5Дигидроксиацетонфосфат (фермент – триозофосфатизомераза)
5) 3Глицеральдегид-3-фосфат + 3Дигидроксиацетонфосфат →
→ 3Фруктозо-1,6-бифосфат (фермент – трансальдолаза)
6) 3Фруктозо-1,6-бифосфат + 3Н2О → 3Фруктозо-6-фосфат + 3Фн (фермент – фруктозо-1,6-бифосфатаза)
7) Фруктозо-6-фосфат → Глюкозо-6-фосфат
8) Глюкозо-6-фосфат + Н2О → Глюкоза + Фн9) 2Фруктозо-6-фосфат + 2Глицеральдегид-3-фосфат →
→ 2Ксилулозо-5-фосфат + 2Эритрозо-4-фосфат (фермент – транскетолаза)
10) 2Эритрозо-4-фосфат + 2Дигидроксиацетонфосфат →
→ 2Седогептулозо-1,7-бифосфат (фермент – трансальдолаза)
11) 2Седогептулозо-1,7-бифосфат + 2Н2О → 2Седогептулозо-7-фосфат + 2Фн (фермент – седогептулозо-1,7-бифосфатаза)
12) 2Седогептулозо-7-фосфат + 2Глицеральдегид-3-фосфат →
→ 2Рибозо-5-фосфат + 2Ксилулозо-5-фосфат (фермент – транскетолаза)
13) 2Рибозо-5-фосфат → 2Рибулозо-5-фосфат (фермент – рибозо-5-фосфатизомераза)
14) 4Ксилулозо-5-фосфат → 4Рибулозо-5-фосфат (фермент – рибулозо-5-фосфатэпимераза)
15) 6Рибулозо-5-фосфат + 6АТФ → 6Рибулозо-1,5-бифосфат + 6 АДФ (фермент – рибулозо-5-фосфаткиназа).
Реакции 1)-8) приводят к образованию глюкозы, реакции 9)-15) связаны с регенерацией рибулозо-1,5-бифосфата с тем, чтобы мог начаться новый оборот цикла Кальвина.На синтез каждой молекулы глюкозы расходуются 18 молекул АТФ и 12 молекул НАДФН, которые затем вновь синтезируются в световых реакциях фотосинтеза.
Образование в качестве первого интермедиата 3-фосфоглицериновой кислоты происходит у так называемых С3-растений.
У тропических растений временным акцептором СО2 является соединение, содержащее в молекулах по четыре атома углерода. Такой путь метаболизма называется С4-метаболизмом, или С4-путем, или циклом Хэтча-Слэка, а сами растения, в клетках которых реализуется этот путь, – С4-растениями.
С4-растения характеризуются тем, что в фотосинтезе участвуют специализированные клеточные структуры листьев – мезофилл и клетки обкладки.
В цитозоле клеток мезофилла происходит реакция карбоксилирования фосфоенолпировиноградной кислоты, субстратом для которой служит не СО2, а гидрокарбонат-ион:
Карбоксилирование ФЕП с образованием ЩУК, фермент – ФЕП-карбоксилаза:
+ НСО3– →
Оксалоацетат либо восстанавливается до малата, либо переходит в аспартат по реакции трансаминирования.
Образование малата из аксалоацетата, фермент – малатдегидрогеназа:
+ НАДФ∙Н2 → + НАДФ+
Реакция трансаминирования:
+ α-аминокислота → L-аспартат + α-кетокислота
Синтезированные в клетках мезофилла малат или аспартат через плазмодесмы попадают в соседние клетки обкладки, где происходит окисление и декарбоксилирование яблочной кислоты.
Окисление и декарбоксилирование малата с образованием СО2, фермент – НАДФ-зависимая декарбоксилирующая малатдегидрогеназа (малик-фермент, яблочный фермент):
+ НАДФ+ → СН3–СО–СООН + СО2 + НАДФ∙Н2
Если у растения переносчиком СО2 является аспартат, то в клетках обкладки он трансаминируется с образованием оксалоацетата, который в свою очередь восстанавливается до малата. После этого малат расщепляется малатдегидрогеназой или ФЕП-карбоксикиназой с выделением СО2:
а) образование оксалоацетата из L-аспартата:
L-аспартат + α-кетокислота → + α-аминокислота
б) восстановление оксалоацетата до малата:
+ НАДФ∙H2 → + НАДФ+
в) декарбоксилирование малата:
+ НАДФ+ → СН3–СО–СООН + СО2 + НАДФ∙Н2
В обоих случаях выделившаяся молекула диоксида углерода встраивается в положение С-1 молекулы 3-фосфоглицерата, как и у С3-растений. Реакция катализируется рубиско.
Образующаяся при декарбоксилировании яблочной кислоты ПВК транспортируется обратно в клетки мезофилла, где происходит ее превращение в ФЕП под действием фермента пируват-фосфатдикиназы.
Образование ФЕП из ПВК:
СН3–СО–СООН + АТФ + Фн → + АМФ + ФФнЗатем ФЕП снова переходит в оксалоацетат. Цикл Хэтча-Слэка завершен.[1, 424 с.]
У С4-растений ассимиляция диоксида углерода более энергетически затратна по сравнению с С3-растениями, так как в цикле Хэтча-Слэка на 1 молекулу СО2 расходуется 5 молекул АТФ, тогда как у С3-растений расходуется 3 молекулы АТФ на 1 молекулу СО2.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Нельсон Д. Основы биохимии Ленинджера: в 3 т. Т. 2: Биоэнергетика и метаболизм / Д. Нельсон, М. Кокс – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. – 636 с.
2. Ленинджер А. Основы биохимии: в 3 т. Т. 2: Биоэнергетика и метаболизм – М.: Мир, 1985. – 368 с.
3. Микробиология: Учебник для студ. биол. специальностей вузов / М.В. Гусев, Л.А. Минеева. – 4-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 464 с.
4. Биологическая химия: Учебник для хим., биол. и мед. спец. вузов / Д.Г. Кнорре, С.Д. Мызина. – 3-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2003. – 479 с.