Темновая фаза фотосинтеза

Продукты световой стадии АТФ и НАДФН₂, образующиеся в строме хлоропласта, используются для синтеза глюкозы из СО₂. Ассимиляция диоксида углерода представляет циклический процесс, который называется циклом Кальвина, который состоит из трех стадий – карбоксилирование, восстановление и регенерация.

Синтезированные на свету АТФ и НАДФН используются для связывания СО₂ и восстановления его до углеводов. СО₂ присоединяется к рибулозо-1,5-бисфосфату при участии фермента рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа (Rubisko, КФ 4.1.1.39), который локализован на внешней поверхности мембран тилакоидов.

Фермент составляет 1/6 часть всех белков хлоропласта и 50% от растворимых белков листьев С₃ растений. Он характеризуется молекулярной массой 550 кДа и состоит из 8 идентичных больших и 8 идентичных малых субъединиц; активный центр фермента локализуется в каждой большой субъединице. Это наиболее распространенный белок на земле. Высокая концентрация фермента определяется его низкой каталитической активностью. Число оборотов фермента ниже в 10³-10⁵ раз по сравнению с другими ферментами, например, дегидрогеназами. Концентрация активных центров Rubisko около 4 ммоль/л, а концентрация субстрата реакции СО₂ составляет 10 мкмоль/л, что создает необычную ситуацию, когда концентрация активных центров существенно превышает концентрацию субстрата.

Фермент катализирует реакции карбоксилирования с образованием двух молекул 3-фосфоглицерата и оксигенации с образованием молекулы 3-фосфоглицерата и молекулы 2-фосфогликолата (токсический для растения продукт). Аффинность фермента существенно отличается для двух субстратов: К_m для СО₂ составляет 9 мкмоль/л, а К_m для О₂ составляет 535 мкмоль/л. Однако концентрация кислорода в атмосфере – 21%, а СО₂ – 0,0316%; в процессе фотосинтеза в листе при 25 ºС отношение оксигенирования к карбоксилированию находится в пределах 1:4 – 1:2. Фиксация 1 молекулы СО₂ требует расходования 3 молекул АТФ и 2 молекул НАДФН, в то время как реакция оксигенирования требует 5 молекул АТФ и 3 молекул НАДФН. Считают, что Rubisco может фиксировать одну молекулы кислорода на каждые три молекулы углекислого газа.

По классической схеме присоединение СО₂ к риболозо-1,5-бисфосфату под действием фермента рибулозо-1,5-бисфофаткарбоксилазы ведет к образованию 3-фосфоглицерата.

Далее 3-фосфоглицерат восстанавливается с помощью НАДФН и АТФ до 3-фосфоглицеролового альдегида. Восстановление 1,3-бисфосфоглицероловой кислоты в 3-фосфоглицероловый альдегид катализирует фермент НАДФ-зависимая глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа.

Дальнейшие стадии приводят к образованию молекулы глюкозы и 6 молекул рибулозо-5-фосфата, на фосфорилирование которых затрачивается еще 6 молекул АТФ. Таким образом, регенерируются все 6 молекул рибулозо-1,5-бисфосфата. В итоге на каждую молекулу СО₂ расходуется 2 НАДФН и 3 АТФ. Первичным продуктом при ассимиляции СО₂ является 3-фосфоглицериновая кислота, а другие органические вещества являются продуктами ее преобразований. Пять из каждых шести молекул 3-фосфоглицериновой кислоты используется в стадии регенерации, а одна молекула в листе растения либо экспортируется в цитозоль для синтеза сахарозы, либо в хлоропласте вступает в реакции синтеза крахмала.

Суммарное уравнение реакций темновой фазы:

6 Р-1,5-БФ + 6 СО₂+18 АТФ +12 НАДФН ® ГЕКСОЗА + 6 Р-1,5-БФ +18 АДФ +18 Рн +12 НАДФ.