Кальвин Циклі. Биология, 11 сынып, дидактикалық материал.

 C3 фотосинтез жолы (Кальвин циклі)

 Кальвин қолданған алғашқы әдіс - радиоактивті көміртегі әдісі. Химиялық қасиеттері бойынша радиоактивті изотоптар іс жүзінде тұрақты түрлерден ерекшеленбейді. Реакцияларға қатыса отырып, олар осы қосылыстарды таңбалаған сияқты. Радиоактивті изотоптардың ыдырау жылдамдығы олардың санына пропорционалды. Ыдырау процесінде олар шығаратын сәулені оңай өлшеуге болады. Мұның бәрі фотосинтез химиясын зерттеуде радиоактивті изотоптар әдісін қолдану мүмкіндігін тудырады.

 Екінші әдіс - қағазға хроматография. Егер хроматограммаға таралған заттардың құрамында радиоактивті атомдар болса, онда оларды радиоавтоография көмегімен оңай табуға болады. Осы әдістерді және экспозицияның қысқа мерзімдерін қолдана отырып, ¹⁴ C0 _2- ден қандай заттар және қандай реттілікпен түзілетінін анықтауға болады . Зерттеу нысаны ретінде жасыл балдыр хлорелла алынды. ¹⁴ СО қатысуымен қысқа мерзімді жарықтан кейін өсімдіктер ыстық алкогольмен бекітілді. Алкоголь сығындысы шоғырланған, хроматография арқылы бөлініп, талданған. Тәжірибелер көрсеткендей, 5 секундтан кейін атмосферада ¹⁴ С0 ₂жарықта радиоактивті көміртектің көп бөлігі үш көміртекті қосылыста - 3-фосфоглицер қышқылында (3-PHA) шоғырланған. Calvin хлоропластов жылы C0 өзара әрекеттеседі кейбір акцепторлық зат бар деп пайымдап ₂ (акцепторлық + C0 нысандары phosphoglyceric қышқылы ₂ -> FHA). акцептором сипатын анықтау мақсатында, эксперименттер сериялы болмауына қатысуымен жеңіл және қараңғылық сыртқы жағдайлар (өзгерту өзгерту жүргізілді ¹⁴ C0 ₂) Жарықты сөндіргеннен кейін FGK мазмұны біраз уақытқа өсіп келе жатқаны белгілі болды. Сонымен бірге бес көміртекті қосылыстың, рибулоза-1,5-бисфосфаттың (РБФ) тез жоғалуы байқалды. 30 секундтан кейін RBF анықталмады, ал FGK мөлшері өзгермеді. Алайда, RBF аясында жоғалып кетпеді және оның мазмұны тұрақты болып қала берді. C0 ₂ болмаған кезде басқа көрініс байқалды . Бұл жағдайда RBF мазмұны қараңғыда да, жарықта да өзгерген жоқ. Алынған мәліметтерден, көміртегі диоксиді болған кезде, РФҚ қараңғыда PHA түзу үшін пайдаланылады. Одан әрі ФГС қайта құру жарық қажет Осыған байланысты Кальвин фотосинтез процесінің келесі алдын-ала құрылымын ұсынды:

 Осы схемаға сәйкес, RBF C0 ₂ қосатын акцептор болып табыладынәтижесінде FGC пайда болады. Алайда, жарық болмаған кезде, RBF тез пайдаланылады және жоғалады. Бұл белгілі мөлшерде FGK жинайды. Бұл экспериментте дәл байқалды. Жарықта, жарық фазасының өнімдерінің қатысуымен, FHC фосфоглицерин альдегидіне (PHA) дейін төмендейді. Пайда болған PHA молекулаларының тағдыры әртүрлі. Ішінара түрлендірулер арқылы PHA акцепторлардың регенерациясында қолданылады (RBF). RBF регенерация процесі үшін жарық фазасында пайда болған АТФ қажет. Осының арқасында жарықтағы RBF мөлшері тұрақты деңгейде сақталады. Әр циклге үш акцепторлы молекула (RBF) қатысады және 6 триозалық молекула (PHA) түзіледі. PHA бес молекуласы бірқатар аралық өнімдер арқылы рецепторларды қалпына келтіруге қолданылады. Әрбір алтыншы PHA молекуласы циклден кетеді және көмірсулар мен басқа метаболиттерді құру үшін қолданылады. Бұл циклды толығырақ қарастырыңыз.

 Кальвин циклын фазаларға бөлуге болады.

 Бірінші кезең - карбоксилдеу. Бұл реакцияны фотосинтезге арналған арнайы фермент катализдейді, рибулозобифосфатекарбоксилаза / оксибиназадан ғылыми әдебиетте жиі кездесетін Рибулоза бисфосфаты карбоксилаза / оксигеназа ферменті (РБП карбоксилаза / оксигеназа деп аталады). Рубиско алғаш рет оқшауланып, 1955 жылы тазартылды. Ферменттің ерекшелігі - бұл реакция катализдеген көміртегі диоксиді түзілуінің ең баяу сатысы. Рубиско жапырақтары көп мөлшерде кездеседі және хлоропласт ақуызының негізгі бөлігі болып табылады. Сонымен қатар, бұл әлемдегі ең көп таралған ақуыз-фермент деп саналады. Хлорлопласттарды жарықтандырған кезде фермент белсенді күйге өтеді. Бұл ферменттің түзілуі екі геномның басқаруымен жүретіндігі жоғарыда айтылған: ірі қосалқы бөліктер (54 кДа) ядрода кодталады, цитоплазмада синтезделеді; кішкентайлары кодталады және хлоропластта синтезделеді. RBF C0-мен өзара әрекеттесуінде₂ , алдымен аралық тұрақсыз алты көміртекті қосылыс түзіледі, содан кейін ол екі FGC молекуласына ыдырайды. Алынған FGC - органикалық қышқыл, ал оның энергиялық деңгейі қант деңгейінен төмен. Сондықтан бұл қосылысты тікелей көмірсуларға айналдыруға болмайды. Оны үш көміртекті қантқа - фосфоглицерлік альдегидке (PHA) айналдыру керек.

 Екінші кезең - қалпына келтіру. FGC-тің одан әрі түрленуі фотосинтездің жеңіл фазалық өнімдерінің қатысуын қажет етеді: ATP және NADPH + H ⁺ . Реакция екі кезеңде жүреді. Біріншіден, 3-ФГК фосфорлану реакциясы. Фосфат тобының доноры - АТФ. Мұнда қосымша қуат көзі ретінде АТФ қажет. 1,3-дифосфоглицер қышқылы түзіледі. Реакция фосфоглицерокиназа ферментімен катализденеді:

 Осы реакцияда пайда болған қосылыс - дифосфоглицер қышқылы - жоғары реактивтілікке ие, құрамында АТФ-дан алынған макроэргиялық байланыс бар. Содан кейін, осы қосылыстың карбоксил тобы триософосфат дегидрогеназасын қолданып, альдегидке дейін коэнзимі NADP құрайды.

 Алынған PHA деңгейінде көмірсулар азаяды. Бұл қосылыс соңғы екі кезеңге енеді. C0 бекіту үшін акцепторлық фрБ регенерациясы үшiн пайдаланылатын бес PHA молекулалар ₂ қайтадан жүзеге асырылуы мүмкін. Қалған алтыншы молекула «өнімдер синтезі» фазасына енеді, онда ол күрделі қосылыстарға (көмірсулар, аминқышқылдары және т.б.) айналады.

 Үшінші кезең - регенерация. Акцепторлардың регенерациясында бес PHA молекуласы қолданылады, нәтижесінде үш рибулезо-5-фосфат молекулалары түзіледі. Бұл процесс 4-, 5-, 6-, 7-көміртекті қосылыстардың түзілуінен өтеді. Біріншіден, алғашқы PHA молекуласы фосфодиоксицетонға изомерленеді. Процесс триософосфатисомераза ферментімен катализденеді. Фосфат PDF-тен бөлініп шығады, ал фруктоза-6-фосфатқа (f-6-F) айналады. Әрі қарай, 2-көміртегі фрагменті (-CO - CH ₂ OH) F-6-F (C ₆ ) -ден бөлініп , келесі (үшінші) үштікке ауысады. Бұл транскетолаза реакциясы транскетолаза ферментінің қатысуымен жүреді. Нәтижесі - бірінші пентоза (C ₅₎) -булезофосфат. 4-көміртекті қант эритрофосфатының фосфорлануы F-6-F-тен қалады. Ол үшін жарық реакциясы нәтижесінде пайда болған үш АТФ молекуласы қолданылады. Циклге енгізілген барлық реакциялар Нәтижесінде триозалық фосфат (PHA) қараңғы реакциялардың төртінші сатысына - фотосинтез өнімдерінің қалыптасу сатысына түседі. (C ₄ ), ол төртінші триозамен кедофептулодизифосфат түзеді (C ₇₎) Фосфат жойылғаннан кейін гемогептулезодифосфат седохептулезофосфатқа айналады. Содан кейін тағы бір транскетолаз реакциясы пайда болады, нәтижесінде 2-көміртегі фрагменті бесоттриозофосфаттан бөлініп, ол бесінші триозаға ауысады, тағы екі рибулефосфат молекуласы түзіледі. Осылайша, қарастырылған реакциялар нәтижесінде рибулофосфаттың 3 молекуласы алынады. Құрылған PHA-ның 12 молекуласының екі циклінің өтуі кезінде олардан екі молекула фруктоза дифосфатының (ФДФ) бір молекуласын құрайды. Фруктоза дифосфатының екі молекуласынан (F-1, 6-diF), фруктоза-6-фосфаттан (f-6-F) және глюкоза-1-фосфаттан (G-1-F) түзіледі. Уридин трифосфатымен (UTP) әрекеттесетін глюкоза-1-фосфат уридинді дифосфоглюкозаны (UDFG) береді. Өз кезегінде UDFG, F-6-F-пен әрекеттесіп, сахароза фосфатын береді. Сахароза бірінші бос қант екені көрінеді фотосинтез кезінде пайда болады. Сахарозадан фосфорланбаған моносахаридтер (глюкоза және фруктоза) түзіледі. Крахмал аденозинді дифосфоглюкозадан (ADPH) немесе уридинді дифосфоглюкозадан (UDFG) түзеді, процесс амилосинтетаза ферментімен катализденеді. Фотосинтездің алғашқы өнімдерінің ішінде аминқышқылдары табылды. Шамасы, Кальвин циклінің алғашқы кезеңінде пайда болған FGK пиру қышқылына айналуы мүмкін. Бұл процесс әсіресе NADPH жетіспеушілігімен қарқынды жүреді, ол FGC-тің PHA-ға конверсиясын кешіктірді (Кальвин цикліндегі әдеттегі әдіс). NH3 қатысуымен пирув қышқылы аланин амин қышқылын береді. Қосылу жылдамдығы көрсетілген процесс амилосинтетаза ферментімен катализденеді. Фотосинтездің алғашқы өнімдерінің ішінде аминқышқылдары табылды. Шамасы, Кальвин циклінің алғашқы кезеңінде пайда болған FGK пиру қышқылына айналуы мүмкін. Бұл процесс әсіресе NADPH жетіспеушілігімен қарқынды жүреді, ол FGC-тің PHA-ға конверсиясын кешіктірді (Кальвин цикліндегі әдеттегі әдіс). NH3 қатысуымен пирув қышқылы аланин амин қышқылын береді. Қосылу жылдамдығы көрсетілген процесс амилосинтетаза ферментімен катализденеді. Фотосинтездің алғашқы өнімдерінің ішінде аминқышқылдары табылды. Шамасы, Кальвин циклінің алғашқы кезеңінде пайда болған FGK пирув қышқылына айналуы мүмкін. Бұл процесс әсіресе NADPH жетіспеушілігімен қарқынды жүреді, ол FGC-тің PHA-ға конверсиясын кешіктірді (Кальвин цикліндегі әдеттегі әдіс). NH3 қатысуымен пирув қышқылы аланин амин қышқылын береді. Қосылу жылдамдығы көрсетілген NH3 қатысуымен пирув қышқылы аланин амин қышқылын береді. Қосылу жылдамдығы көрсетілген NH3 қатысуымен пирув қышқылы аланин амин қышқылын береді. Қосылу жылдамдығы көрсетілгенХлорелла жасушаларындағы аланиндегі ¹⁴ C0 ₂ белгілі бір жағдайларда оның сахарозаға қосылу жылдамдығынан асып кетуі мүмкін. Пирув қышқылынан бірқатар органикалық қышқылдар түзілуі мүмкін (Кребс циклінде).