Восстановительный пентозофосфатный цикл

Восстановительный пентозофосфатный цикл, или цикл Кальвина, являющийся основным путем фиксации CO₂ у всех высших фотосинтезирующих организмов, функционирует уже в группе пурпурных бактерий. У цианобактерий и прохлорофит это также основной путь фиксации CO₂. Последовательность ферментативных реакций, приводящих к фиксации углекислоты и образованию из нее молекулы гексозы, была расшифрована М. Кальвином (М. Calvin) с сотрудниками в 50-х гг. (рис. 77). Что в этом цикле нового, существенно отличающего его от всех реакций фиксации CO₂ как гетеротрофной природы, так и функционирующих в восстановительном ЦТК? Новая химическая природа акцептора. Акцепторами CO₂ во всех до сих пор описанных реакциях были органические кислоты в обычной или активированной форме. В этом цикле впервые акцептором CO₂ выступает вещество углеводной природы — активированная молекула пентозы.

Рис 77. Восстановительный пентозофосфатный цикл: Ф1 — рибулозодифосфаткарбоксилаза; Ф2 — 3-фосфоглицераткиназа; Ф3 — 3-ФГА-дегидрогеназа; Ф4 — триозофосфатизомераза; Ф5 — фруктозо-1,6-дифосфатальдолаза; Ф6 — 1,6-фосфофруктозофосфатаза; Ф7 — глюкозофосфатизомераза; Ф8 — глюкозо-6-фосфатаза; Ф9 — транскетолаза; Ф10 — альдолаза; Ф11 — дифосфатаза; Ф12 — фосфопентозоизомераза; Ф13 — фосфопентозоэпимераза; Ф14 — фосфорибулокиназа. Цифры, заключенные в кружок обозначают число молекул, участвующих в реакциях (по Dagley, Nicholson, 1973)

Ферментативные пути, ведущие к синтезу пентозофосфатов, уже формировались в окислительном пентозофосфатном пути. Для восстановительного пентозофосфатного цикла уникальными являются два фермента, не участвующие в других метаболических путях: фосфорибулокиназа и рибулозодифосфаткарбоксилаза. Первый из них связан с активированием молекулы акцептора путем вторичного фосфорилирования, а второй катализирует реакцию акцептирования рибулозо-1,5-дифосфатом молекулы CO₂ и последующее гидролитическое расщепление образовавшейся гексозы на 2 молекулы 3-ФГК, одна из которых в карбоксильной группе содержит углерод из CO₂.

Образовавшиеся молекулы 3-ФГК затем подвергаются серии последовательных ферментативных превращений, ведущих к образованию молекулы глюкозы. Эти превращения включают реакции, известные в гликолитическом пути, но идущие теперь в обратном направлении (реакции, катализируемые ферментами Ф₂ — Ф₅ и Ф₇ на рис. 77), и реакции, сформировавшиеся у гетеротрофов на пути синтеза глюкозы из C₂- и C₃- соединений для обхода необратимых реакций гликолитического пути (реакции, катализируемые ферментами Ф₆ и Ф₈ на рис. 77). Реакция восстановления 1,3-ФГК до 3-ФГА, катализируемая 3- ФГА-дегидрогеназой, у пурпурных и зеленых бактерий зависит от НАД-H₂, а у цианобактерий и высших растений — от НАДФxH₂.

Такова биосинтетическая часть цикла, ведущая к фиксации CO₂ и образованию из нее молекулы гексозы. Однако чтобы функционировал этот механизм, необходимо постоянное воспроизведение молекул — акцепторов CO₂. Остальные ферментативные реакции цикла служат для регенерации акцептора CO₂ — рибулозо-1, 5-дифосфата и катализируются ферментами, большинство из которых функционирует в окислительном пентозофосфатном пути (ферменты Ф₉ — Ф₁₃ на рис. 77). Суммарное уравнение восстановительного пентозофосфатного цикла можно изобразить следующим образом:

Для синтеза 1 молекулы глюкозы из CO₂ необходимо 6 оборотов цикла.

Таким образом, сформировавшийся для автотрофной ассимиляции CO₂ механизм базируется на ферментативных реакциях, которые уже функционировали к тому времени у хемогетеротрофных прокариот. Для работы цикла необходимо было создать только две новые реакции, связанные с подготовкой акцептора и собственно акцептированием CO₂.

Восстановительный пентозофосфатный цикл является основным механизмом автотрофной ассимиляции углекислоты. Последняя у большинства фотосинтезирующих эубактерий восстанавливается с помощью фотохимически образованной "ассимиляционной силы" — АТФ и восстановителя. Однако и АТФ, и восстановитель (НАДФ-H₂ или НАД-H₂) образуются в разных метаболических путях. Поэтому нельзя рассматривать восстановительный пентозофосфатный цикл ассимиляции CO₂ строго привязанным только к фотосинтезу. У большой группы хемоавтотрофных эубактерий этот путь фиксации CO₂ сочетается с темновыми окислительными процессами получения энергии. Важно отметить только, что это основной путь ассимиляции CO₂, если последняя служит единственным или главным источником углерода.

Таким образом, обнаруженные у фотосинтезирующих эубактерий типы фотосинтеза различаются организацией фотосинтетического аппарата, природой экзогенных доноров электрона и выделяемыми окисленными продуктами. Общим для всех типов фотосинтеза является способность превращать энергию света в доступные клетке формы энергии, которая потребляется затем во всех энергозависимых процессах, в том числе и для биосинтезов. Использование ее для ассимиляции CO₂ — только один из вариантов обеспечения энергией конструктивного метаболизма у фототрофных эубактерий.

ГРУППЫ ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИХ ЭУБАКТЕРИИ

Известно 5 групп эубактерий, способных преобразовывать световую энергию в, химическую с помощью хлорофилла. Фотосинтез, осуществляемый ими, делится на 2 типа: не сопровождающийся выделением молекулярного кислорода (бескислородный фотосинтез) и сопровождающийся выделением O₂ (кислородный фотосинтез). В соответствии с этим все фотосинтезирующие эубактерии в IX издании Определителя бактерий Берги предложено разделить на две таксономические группы в ранге классов: Anoxyphotobacteria и Oxyphotobacteria. Эубактерии, осуществляющие бескислородный фотосинтез, на основании таких признаков, как пигментный состав и тонкое строение фотосинтетического аппарата, делятся на 3 группы: пурпурные, зеленые бактерии и гелиобактерии. Эубактерии, фотосинтез которых сопровождается выделением O₂, включают 2 группы организмов: цианобактерии и прохлорофиты. В основу деления положены те же признаки (см. табл. 21–23). Критерии, определяющие там, где это возможно, деление на таксоны более низкого ранга, даны при характеристике каждой из выделенных групп.