Изучение продуктов фотосинтеза с помощью меченых атомов показало, что углерод углекислого газа очень быстро переходит в растениях в разнообразные вещества. Одним из первых улавливаемых продуктов фотосинтеза является фосфоглицериновая кислота, но ей, по-видимому, предшествуют еще более простые соединения.
Установлено, что СО2 вступает в цикл с образованием фосфоглицериновой кислоты (ФГК) путем карбоксилирования рибулозодифосфата (РДФ). Реакция карбоксилирования проходит с окислением С3 рибулозы до уровня карбоксила с помощью фермента карбоксидисмутазы, который выделен из неразрушенных хлоропластов шпината.
Таким образом, первым этапом фотосинтетического превращения углерода является карбоксилирование фосфорного эфира пятиуглеродного сахара рибулозодифосфата с образованием двух молекул фосфоглицериновой кислоты.
Перед карбоксилированием происходит активация молекулы рибулозо-5-фосфата АТФ, которая используется для этерификации гидроксильной группы первого атома углерода, в результате чего и образуется рибулозо-1,5-дифосфат:
Рибулозо-1,5-дифосфат — достаточно высокореакционное соединение, чтобы произошло карбоксилирование его двуокисью углерода:
*R — остаток молекулы АТФ без конечной фосфатной группы.
На следующем этапе 3-фосфоглицериновая кислота фосфорилируется с помощью АТФ и образует 1,3-дифосфоглицериновую кислоту:
Продукт химической реакции 3-1,3-дифосфоглицериновая кислота имеет большую реакционную способность, чем 3-фосфоглицериновая кислота. Таким образом, химическая энергия, образовавшаяся в виде энергии связей АТФ, используется в реакциях 1 и 3, которые имеют решающее значение для функционирования фотосинтетического цикла восстановления углерода. Что же касается НАДФН2, то он необходим для восстановления 1,3-дифосфоглицериновой кислоты до глицероальдегид-3-фосфата (4). Эта реакция катализируется ферментом триозофосфатдегидрогеназой:
Следовательно, реакции 1 и 3, где происходит утилизация АТФ, и реакция 4, в которой используется НАДФН2, являются тем механизмом, с помощью которого химическая энергия, накопленная в фотохимических реакциях фотосинтеза, используется для восстановления СО2 до фосфорных эфиров сахаров.
На рисунке 34 приведены цикл восстановления углерода и структурные формулы реагирующих соединений.
Рис. 34. Схема биохимических превращений углерода при фотосинтезе (по М. Кальвину).
Каждая из реакций была осуществлена изолированно в растворах, за исключением первой, где участвует СО2. В процессе фотосинтеза восстановление фосфоглицериновой кислоты происходит за счет энергии света, которая предварительно превращается в энергию макроэргических фосфатных связей аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и никотинамидадениндинуклеотидфосфата восстановленного (НАДФН2). Перенос водорода осуществляется ферментами дегидрогеназами. Под влиянием фермента фосфотриозоизомеразы фосфоглицериновый альдегид образует фосфодиоксиацетон:
молекула которого, подвергаясь альдольной конденсации с молекулой фосфоглицеринового альдегида, дает фруктозо-1,6-дифосфат — исходный материал для образования сахарозы и полисахаридов. Наряду с этим предполагается, что фруктозо-1,6-дифосфат и фосфоглицериновый альдегид, взаимодействуя между собой, дают начало цепи четырех-, пяти- и семиуглеродного сахара; рибулоза и фосфорный эфир, рибулозодифосфат являются акцепторами СО2.
Таким образом, процесс превращения углерода при фотосинтезе имеет циклический характер и сопровождается образованием устойчивых продуктов. Он заканчивается синтезом рибулозодифосфата, который, присоединив СО2, снова возвращается в цикл. Однако назначение цикла не ограничивается только регенерацией акцептора СО2. Углеродные соединения в форме ФГК и фосфатов сахаров используются на синтез запасных веществ и на создание компонентов хлоропласта.
Фиксация СО2 растением, кроме фотосинтеза, осуществляется и при карбоксилировании монокарбоновых кислот с образованием дикарбоновых кислот. Таким образом, карбоксилирование пировиноградной и фосфоенолпировиноградной кислот — распространенное в природе явление.
При карбоксилировании пировиноградной кислоты, которая катализируется ферментом пируваткарбоксилазой при участии АТФ и ионов Mg2+, образуется щавелевоуксусная кислота:
Синтез и превращение в клетке яблочной, янтарной и щавелевоянтарной кислот также зависят от процессов карбоксилирования и декарбоксилирования. Кроме того, в так называемом орнитиновом цикле, в котором из аргинина образуются мочевина, орнитин, цитруллин и фумаровая кислота, также происходит карбоксилирование: к орнитину присоединяются аммиак и СО2 и получается цитруллин. Реакции карбоксилирования связаны определенным образом с фотосинтетическим циклом превращения углерода.
При низких концентрациях СО2, приближающихся к атмосферной (0,03%), в хлоропласте под действием фермента рибулозодифосфаткарбоксилазы образуется значительное количество фосфогликолевой кислоты. Вероятным механизмом синтеза гликолевой кислоты (НОСН2СООН) является окисление молекулярным кислородом рибулозодифосфата (акцептора СО2) с помощью фермента рибулозодифосфаткарбоксилазы с образованием фосфоглицериновой кислоты и фосфогликолата:
фосфогликолат
Фотосинтез с образованием гликолевой кислоты можно представить следующим образом:
При выходе из хлоропластов фосфогликолат дефосфорилизуется мембранно-связанной фосфогликолатфосфатазой и окисляется в глиоксилевую кислоту (НОССООН).
Одно из наиболее распространенных объяснений роли гликолатного пути в метаболизме фотосинтезирующих клеток заключается в том, что с помощью гликолатного метаболизма происходит «сжигание» избытка НАДФН2, образующегося в хлоропластах в условиях повышенной освещенности и низкой концентрации СО2. Кроме того, гликолат может быть необходим для нейтрализации щелочной реакции, возникающей в строме хлоропластов. При подщелачивании происходит снижение концентрации растворенного СО2, что способствует образованию бикарбонатных соединений, не вступающих в реакцию с рибулозодифосфатом. Гликолевая кислота диффундирует из хлоропластов и окисляется в глиоксилевую кислоту, которая вновь может проникать в другие хлоропласты и при участии НАДФН2 восстанавливаться в гликолевую кислоту. Отмечено, что глиоксилатный путь усвоения углерода при фотосинтезе с образованием НОСН2СООН может преобладать при изменении условий фотосинтеза (освещение растений синим светом и др.).
Установлено, что, кроме углеродов, в процессе фотосинтеза образуются белки и другие продукты. Они также относятся к продуктам фотосинтеза.
До сих пор считали, что образование белков в растении осуществляется энзиматическим путем после восстановления нитратов за счет промежуточных продуктов и освобождающейся энергии окисления углеводов. Исследованиями Института физиологии растений имени К. А. Тимирязева АН СССР доказана связь между восстановлением нитратов и фотосинтезом. Она заключается в участии каких-то активных первичных продуктов восстановления СО2. Процесс восстановления нитратов в живом листе происходит так: сначала восстанавливается углекислый газ с образованием активных промежуточных продуктов, затем нитраты, а возможно, и другие окислители (сульфаты, органические кислоты). Это дает возможность сделать вывод, что наиболее интенсивный синтез белков осуществляется в условиях, которые обеспечивают полный фотосинтез.
Первичные продукты восстановления СО2 прежде всего используются для синтеза белков. Углеводы в растении образуются по мере удовлетворения потребности в этом синтезе. Накопление углеводов происходит в тем больших количествах, чем меньше снабжение азотом, интенсивнее освещение и продолжительнее фотосинтез.