Цикл Кальвина: стадии, роль ключевых ферментов, продукты цикла
Цикл Кальвина - это центральный биохимический процесс, лежащий в основе фотосинтеза растений и многих бактерий. Он представляет собой серию ферментативных реакций, в результате которых происходит фиксация углекислого газа и синтез органических веществ, необходимых для роста и развития организмов.
Сущность цикла Кальвина
Цикл Кальвина был открыт в 1950-х годах американским биохимиком Мелвином Кальвином. За эти исследования он получил Нобелевскую премию по химии в 1961 году.
В цикл Кальвина вовлекаются следующие ключевые метаболиты и ферменты:
- Рибулозо-1,5-бисфосфат
- Фермент РуБисКО (рибулозобисфосфат-карбоксилаза/оксигеназа)
- 3-фосфоглицериновая кислота (3-ФГК)
- Глицеральдегид-3-фосфат (ФГА)
- АТФ и НАДФ·H
Общий баланс реакций цикла Кальвина можно представить следующим уравнением:
3 CO2 + 9 ATP + 6 NADPH + 6 H+ → глицеральдегид-3-фосфат + 9 ADP + 8 Pi + 6 NADP+ + 3 H2O
Таким образом, цикл Кальвина обеспечивает фиксацию углекислого газа из атмосферы и синтез органических веществ, необходимых клетке.
цикл Кальвина состоит из трех основных стадий
Цикл Кальвина включает следующие стадии:
- Карбоксилирование рибулозо-1,5-бисфосфата
- Восстановление 3-фосфоглицериновой кислоты
- Регенерация рибулозо-1,5-бисфосфата
На первой стадии под действием фермента РуБисКО происходит присоединение СО2 к рибулозо-1,5-бисфосфату с образованием двух молекул 3-ФГК.
На второй стадии 3-ФГК восстанавливается до глицеральдегид-3-фосфата, из которого синтезируется глюкоза.
На третьей стадии регенерируется исходное вещество цикла - рибулозо-1,5-бисфосфат.
реакции цикла Кальвина: карбоксилирование
Первая стадия цикла Кальвина - карбоксилирование рибулозо-1,5-бисфосфата - катализируется ферментом РуБисКО.
РуБисКО (рибулозобисфосфат-карбоксилаза/оксигеназа) - один из важнейших ферментов биосферы, отвечающий за фиксацию СО2.
Карбоксилирование РуБисКО происходит в несколько этапов:
- Активация РуБисКО ионами магния
- Присоединение СО2 и образование нестабильных промежуточных соединений
- Расщепление образовавшейся 6-углеродной молекулы на две 3-ФГК
Таким образом, на выходе получаются две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты, которые затем восстанавливаются на следующей стадии цикла Кальвина.
Восстановление 3-фосфоглицериновой кислоты
На второй стадии цикла Кальвина происходит восстановление 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК) до глицеральдегид-3-фосфата (ФГА). Этот процесс протекает в две реакции:
- Фосфорилирование 3-ФГК с образованием 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты
- Восстановление 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты до глицеральдегид-3-фосфата
Первая реакция катализируется ферментом фосфоглицераткиназой, вторая - глицеральдегидфосфатдегидрогеназой. В качестве восстановителя выступает НАДФ·H, синтезированный в световой фазе фотосинтеза.
Выход продуктов из цикла Кальвина
Часть молекул глицеральдегид-3-фосфата выводится из цикла Кальвина и используется растением для синтеза различных органических веществ, в первую очередь - углеводов в виде глюкозы и фруктозы.
Остальные молекулы ФГА возвращаются в цикл Кальвина для регенерации исходного акцептора СО2 - рибулозо-1,5-бисфосфата.
Регенерация рибулозо-1,5-бисфосфата
На третьей стадии цикла происходит восстановление исходной 5-углеродной молекулы - рибулозо-1,5-бисфосфата - из глицеральдегид-3-фосфата.
Этот процесс включает следующие реакции:
- Изомеризация ФГА в дигидроксиацетонфосфат
- Объединение ФГА и дигидроксиацетонфосфата с образованием фруктозо-6-фосфата
- Ряд реакций перестройки углеродного скелета до рибулозо-5-фосфата
- Фосфорилирование рибулозо-5-фосфата с регенерацией рибулозо-1,5-бисфосфата
Таким образом, цикл Кальвина замыкается, и рибулозо-1,5-бисфосфат вновь может участвовать в карбоксилировании СО2.
Цикл Кальвина-Бенсона: открытие и значение
Цикл Кальвина-Бенсона был открыт группой ученых во главе с Мелвином Кальвином в 1950-х годах. Важный вклад в исследования внес также американский биохимик Джеймс Бенсона.
Работы по выяснению механизмов фиксации СО2 при фотосинтезе принесли Кальвину Нобелевскую премию 1961 года.
Открытие цикла Кальвина-Бенсона позволило получить детальное представление о одном из фундаментальных биохимических процессов на Земле, лежащем в основе питания и развития растений.
Понимание молекулярных механизмов цикла Кальвина открывает возможности для селекции более продуктивных сортов сельскохозяйственных культур.
Регуляция активности РуБисКО
Активность главного фермента цикла Кальвина - РуБисКО - регулируется различными механизмами.
Во-первых, на активность РуБисКО влияет концентрация СО2. При повышении уровня СО2 активность фермента возрастает.
Во-вторых, важную роль играет активация РуБисКО ионами магния и модификация аминокислотных остатков белка.
Кроме того, на скорость работы РуБисКО может влиять взаимодействие с другими белками, в частности с Rubisco активазой.
Ингибиторы цикла Кальвина
Существует ряд соединений, ингибирующих отдельные ферменты цикла Кальвина.
Например, 2-карбоксиарабинитол-1,5-бисфосфат конкурирует с карбоксилированием рибулозо-1,5-бисфосфата, препятствуя связыванию СО2 с активным центром РуБисКО.
Ингибиторы фосфоглицераткиназы (например, арсенат) блокируют фосфорилирование 3-фосфоглицериновой кислоты.
Модификация цикла Кальвина
У ряда растений и бактерий обнаружены видоизменения цикла Кальвина, повышающие эффективность фиксации СО2 в засушливых условиях.
Например, у С4-растений первичное карбоксилирование происходит в цитоплазме клетки с образованием 4-углеродных кислот, которые затем транспортируются в хлоропласт и вступают в цикл Кальвина.
Перспективы оптимизации цикла Кальвина
Исследования последних лет показали принципиальную возможность увеличения продуктивности фотосинтеза за счет оптимизации скорости протекания реакций цикла Кальвина.
Этого можно достичь путем изменения уровня экспрессии генов, кодирующих ферменты цикла, введения более эффективных изоформ РуБисКО из других организмов и другими методами генетической инженерии.
Сравнение РуБисКО разных организмов
РуБисКО - ключевой фермент цикла Кальвина, катализирующий реакцию карбоксилирования. Этот белок присутствует у растений, водорослей, цианобактерий и некоторых бактерий.
Сравнительный анализ показал, что активность и специфичность РуБисКО варьирует у разных групп организмов.
Например, наиболее эффективные изоформы этого фермента обнаружены у прокариот. РуБисКО цианобактерий работает в 2-3 раза быстрее, чем у высших растений.
Инженерия РуБисКО растений
Для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур ведутся работы по инженерному изменению РуБисКО растений.
Один из подходов - замена растительного фермента на более эффективный бактериальный ортолог. Такие эксперименты на трансгенных растениях показали повышение скорости роста.
Ингибиторы РуБисКО как пестициды
Ингибиторы РуБисКО рассматриваются как потенциальные селективные пестициды для борьбы с сорняками.
Применение таких соединений может подавлять фотосинтез и рост сорных растений, не затрагивая культурные виды, устойчивые к данному ингибитору.
Роль РуБисКО в эволюции фотосинтеза
Считается, что РуБисКО был одним из первых ферментов, появившихся в процессе эволюции фотосинтеза.
Данный белок сохранился в ходе эволюции и остается ключевым компонентом цикла Кальвина у растений и цианобактерий.
Перспективы создания синтетических форм РуБисКО
Ведутся работы по созданию синтетических форм РуБисКО - ферментов, способных эффективно фиксировать СО2, но не встречающихся в природе.
Такой подход открывает принципиальную возможность радикального увеличения скорости поглощения СО2 в биотехнологических системах.