Нециклическое, циклическое и псевдоциклическое фотофосфорилирование

Фотофосфорилирование – это процесс образования АТФ в ходе световой фазы фотосинтеза за счет энергии выделения электронов. Известны разные пути фотофосфорилирования:

7) Нециклический путь связан с нециклическим транспортом электронов от воды к НАДФ+:

Н₂О + НАДФ⁺ + АДФ + Фн → НАДФН₂ + АТФ + О₂↑

8) Циклический путь. Иногда электроны от ферредоксина идут не на ФАД, а на восстановленный пластохинон. В этом случае НАДФ+ не восстанавливается, но протонный градиент создается и синтез АТФ идет. Часть хлоропластных белков синтезируется непосредственно в хлоропластах, для этого нужна АТФ, поэтому даже при нормальной длине волны иногда происходит переключение на циклический путь фотофосфорилирования.

9) Псевдоциклический путь. Иногда оксидоредуктаза восстанавливает не НАДФ⁺, а кислород, в результате этого образуется вода.

В процессах, связанных с окислительно-восстановительными реакциями, происходит изменение свободной энергии, которое рассчитывается по формуле Нернста:

Δσ° = – nFΔE₀,

где Δσ° – изменение свободной энергии;

n – количество переносимых электронов (n = 2);

F – число Фарадея (F = 23 ккал/моль);

Е_{НАДФ /НАДФН} = – 0,32 В (электроноакцепторная система)

Δσ° = – 2 · 23 (– 0,32 – 0,82) = 52,44 ккал

В процессе передачи электронов с воды на НАДФ⁺ энергия поглощается. Для образования одной макроэргической связи АТФ требуется 7,3 ккал/моль. Таким образом, во время фотофизического и фотохимического этапов световой фазы фотосинтеза происходит запасание 52,44 ккал энергии, часть этой энергии расходуется на синтез АТФ в ходе энзиматического этапа.

24.С₃-путь восстановления СО₂

Темновая фаза фотосинтеза представлена серией ферментативных реакций, в ходе которых благодаря продуктам световой фазы происходит восстановление углерода из углекислого газа. Существуют разные пути восстановления углерода в темновой фазе:

1) С₃-путь;

2) фотодыхание (С₂-путь);

3) С₄-путь;

4) САМ-метаболизм.

3.4.1. С₃-путь фотосинтеза (цикл Кальвина)

Это основной путь ассимиляции углекислого газа растениями. Работы по изучению этого пути проводились в период с 1946 по 1953 гг. в лаборатории под руководством М. Кальвина при помощи метода меченых атомов. При этом метили углеродный атом углекислого газа (*СО₂), а затем следили, в состав каких соединений он включается, эксперименты проводили на хлорелле. Через каждые 5 секунд из экспериментальной среды, содержащей *СО₂, брали пробу. Полученные из каждой пробы соединения разделяли с помощью метода хроматографии и идентифицировали соединения, в которые была включена метка. Оказалось, что первым стойким соединением, в составе которого была обнаружена метка, является трехуглеродным (С₃). Тогда предположили, что углекислый газ присоединяется к какому-то двухуглеродному соединению (С₂), в результате чего и получается обнаруженное соединение с тремя углеродными атомами. В инкубационную среду стали вводить различные соединения с двумя атомами углерода, однако это не приводило к увеличению концентрации С₃-соединения. На основании этого был сделан вывод, что акцептором СО₂ является не двухуглеродное, а какое-то другое соединение.

Поиски акцептора СО₂ увенчались успехом после изменения схемы эксперимента. Хлореллу стали инкубировать в атмосфере с высокой концентрацией СО₂ ≈ 1%, а затем перенесли в атмосферу с концентрацией СО₂ ≈ 0,01%. Предположили, что при таких условиях, должен накопиться искомый акцептор. Действительно, в условиях дефицита СО₂ в экспериментальной среде накопился рибулозодифосфат (РДФ). В связи с этим была предложена следующая схема первичной фиксации углекислого газа:

Для проверки этой схемы в инкубационную среду ввели РДФ с меченным атомом фосфора, эта метка была обнаружена в составе С₃-соединения, следовательно, акцептором углекислого газа является С₅-соединение. Промежуточное шестиуглероднное соединение до сих пор не обнаружено, поэтому его считают неустойчивым.

Схема первичной фиксации СО₂:

С₃-путь фотосинтеза протекает в циклическом режиме и называется циклом Кальвина. Цикл Кальвина состоит из четырех этапов:

1) карбоксилирование;

2) восстановление;

3) синтез конечных продуктов;

4) регенерация первичного акцептора.

Образовавшийся фруктозо-1,6-дифосфат далее подвергается превращениям по следующей схеме: