3-фосфата превращаются в диоксиацетонфосфат на стадии 4. Одна из образовавшихся молекул диоксиацетонфосфата дальнейшим превращениям не подвергается и представляет собой чистый •результат процесса. На стадиях 5—11, те три молекулы гли-церальдегид-3-фосфата, которые остались от стадии 3, и две имеющиеся молекулы диоксиацетонфосфата превращаются в три мо-

Таблица 16.1

Образование триоз и регенерация пентоз в фотосинтезе

Стадия Фермент Реакция

I Рибулозоднфосфаткарбоксилаза 3 рибулозо-1,5-дифосфат + ЗСОг—*¦ 6 3-фосфоглицерат

2 Фосфоглицераткина за 6 3-фосфоглицерат + АТР—>- 6 1,3-дифосфоглицерат

3 Глицсральдегидфосфатдегидрогеназа 6 1,3-дифосфоглнцерат + 6NADPH + 611+—*¦ 6 глицеральдегид-3-фосфат + 6NADP+ + 6Р;

4 Триозофосфатнзомераза 3 глицеральдегид-З-фосфат —*¦ 3 днокснацетонфосфат

5 Альдолаза глицеральдсгид-З-фосфат + днокснацетонфосфат —>- фруктозо-1,6-дифосфат

6 Фруктозодифосфатаза фруктозо-1,6-днфосфат—у фруктозо-6-фосфат + Р,-

7 Транскетолаза фруктозо-6-фосфат + глицеральдегид-З-фосфат —*¦ эритрозо-4-фос-фат + ксилулозо-5-фосфат

8 Альдолаза эритрозо-4-фосфат + днокснацетонфосфат —*¦ ссдогепгулозо-1,7-ди-фосфат

9 Гсптулозоднфосфатаза седигептулозо-1,7-дифосфат—*¦ ссдогептулозо-7-фосфат + Pi

10 Транскетолаза седогептулозо-7-фосфат -f гллцеральдегнд-3-фосфаг —>· рибозо-5-фосфат + ксилулизо-5-фосфат

11 Фисфопентозоэпнмераза 2 ксилулозо-5-фосфат + рлбозо-5-фосфат—*-3 рибулозо-5-фосфат

12 Фосфорибулокиназа 3 рибулозо-5-фосфат + ЗАТР —>¦ 3 рибулозо-1,5-днфосфат + 3ADP

3C02+9ATP + 6NADPH + GH+—^дпокснацетонфосфат+9АОР+ + 6NADP+ + 8Р;

16. МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ. Ill

689

лекулы рибулозо-5-фосфата под действием ферментов, подобных участвующим в фосфоглюконатном пути. Последовательность завершается фосфорилированием за счет АТР (стадия 12), и возникающий в результате рнбулозо-1,5-дифосфат используется при повторении цикла.

В конце табл. 16.1 приведено суммарное уравнение цикла, с помощью которого можно определить количество энергии, необходимое для того, чтобы стала возможной фиксация С02 и перевод его в углеводы. Синтез 2 молей диоксиацетонфосфата, требуемых для образования гексозы, нуждается в том, чтобы фотохимическая система выработала 12 молей NADPH и 18 молей АТР; фиксация 1 моля С02 сопряжена с затратой 2 молей NADPH и 3 молей АТР. Достоверность этой схемы реакций подтверждена изучением модельного процесса с использованием очищенных ферментов.

После того как диоксиацетонфосфат проник в цитозоль при участии ?,-транслоказы, он превращается в пригодные для использования углеводы под действием ферментов гликолиза. Из половины его молекул вновь образуется глицеральдегид-З-фосфат под действием изомеразы; затем синтезируется фруктозо-1,6-дифосфат, который гидролнзуется до фруктозо-6-фосфата, превращаемого в глюкозо-6-фосфат, а затем в глюкозо-1-фосфат. Последний может превращаться либо в крахмал через АОРглюкозу, либо в сахарозу через ТЮРглюкозу. Образование каждого из указанных двух соединений нуждается в затрате АТР; например,

АТР -f- глюкозо-1-фо"фат -»¦ АОРглюкоза -4- РР;

Эти взаимоотношения обобщены на рис. 16.2.

Таким образом, в цитозоле имеется потребность в дополнительном количестве АТР. Однако АТР, генерируемая фотосинте-тически в тилакоидной системе (см. ниже), не может покидать хлоропласт, и поэтому, если скорость образования АТР в процессе аэробного гликолиза и митохондриального дыхания недостаточна, включается специальное приспособление для экспорта эквивалента АТР из стромы (рис. 16.3). Благодаря такому устройству NADH, равно как и АТР, образуемые в хлоропласте, могут участвовать в реакциях синтеза сахарозы или крахмала в цитозоле. Если восстановительные эквиваленты имеются в избытке, они могут быть возвращены в строму либо через малат-оксалоацетат-ный цикл, либо через малат-аспартатный цикл, аналогичные тем, которые пересекают мембрану митохондрий (рис. 12.16).

Синтез углеводов у бактерий. У некоторых фотосинтезирую-щих бактерий первым обнаруживаемым ,4С-меченным соединением является аланин, что указывает на образование пирувата нз С02 и какого-то С2-соединения (возможно, ацетил-СоА) как на первичный этап процесса, за которым следует реакция переами-

690

Ш. МЕТАБОЛИЗМ

цитозоль хлоропласт

наружная внутренняя пилакоиЭная' мембрана мембрана строма мембрана

Рис. 16.2. Общая схема фотосинтеза сахарозы из С02. Восстановление NADP+ и синтез АТР происходят в тилакоидной мембране, а фиксация С02 и синтез диоксиацетонфосфата — в строме; гексоза, сахароза и крахмал синтезируются в цитозоле. (Взято с изменениями из работы [Heldt ?. W., Horiz. Biochem. Biophvs., 2,

218, 1976].)

нирования (разд. 20.3.2). Сопутствующее появление метки в глутаминовой кислоте позволяет предположить подобный способ образования ?-кетоглутаровой кислоты из С02 и сукцинил-СоА. Гипотетическая схема пути, при котором СОг, фиксированная благодаря действию указанных механизмов, может аккумулироваться в форме гексозы, представлена на рис. 16.4. У фотосинтезирующих бактерий стадия образования глицеральдегид-3-фосфата связана с NAD, а не с NADP, как у водорослей и хлоропластов.

Роль Ct-дикарбоновых кислот у некоторых растений. Тропические злаки и различные другие покрытосеменные растения выдерживают экстремальные климатические условия, эффективно фиксируя С02 при его низких концентрациях в окружающей среде; им свойственны малые скорости фотодыхания (см. ниже). Характерно, что, когда листья растений экспонируются с 14С02, первыми мечеными продуктами являются оксалоацетат, малат и аспартат. В листьях таких растений вблизи поверхности соприкосновения с воздухом находятся клетки мезофилла, в которых происходит связывание С02 в форме Отсоединений. В клетках мезофилла хлоропласты иногда расположены более редко, а граны характеризуются рыхлой упаковкой. Клетки мезофилла примыкают

16. МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ. Ill

691

к клеткам обкладки сосудистого пучка; эти клетки богаты хлоро-пластами, причем граны их плотно упакованы. Благодаря такому устройству становится возможным функционирование транспортной системы (рис. 16.5), которая поддерживает [СОг] в клетках обкладки на уровнях ^10 мкмоль/л (т. е. в два раза больше возможной) при условии, что воздух находится в равновесии с клеточной жидкостью при рН 7,5 и 20 °С. Следует учесть, что по мере удаления клеток обкладки от поверхности и с увеличением числа' барьеров, препятствующих диффузии, концентрация С02 в таких клетках при иных условиях не могла бы превышать 1 мкмоль/л, т. е. была бы примерно на порядок меньше необходимой для поддержания рибулозодифосфат-карбоксил азной реакции. С*-фикси-рующая система клеток мезофилла служит фактически в качестве насоса, который поддерживает [С02] в клетках обкладки даже более высокой, 10 мкмоль/л, так что лимитирующим фактором скорости фотосинтеза является интенсивность света, а не [С02]. К числу оснащенных таким аппаратом растений относятся некоторые из самых молодых представителей покрытосеменных растений, таких, например, как сахарный тростник, кукуруза, сорго и большинство более выносливых дикорастущих растений.

Состав компонентов в фиксирующей С02 системе у C-i-pастений может подвергаться некоторым изменениям. В наиболее часто встречающемся варианте аспарагпновая кислота заменяет аланин (рис. 16.6). У одних видов растений аспартат превращается

цитозоль

диоксиацетонфосфат

I

глицеральЭегиЭ-3-(росфат Pi + NAD+--,1

NADH-"-—^ 1,3-вифосфогпицерап1

ADP--«J

ATP-*---1

3-фосфогпицерат-

с m po ? a

Виоксиацетонфосфат

t

гпицеральбегиЭ-Э- фосфат A___^NADP*

Г---NADPH

1,3- Эифосфогпицерат

?__.-ADP

?---ATP

—3-фосфоглицерат

Рис. 16.3. Диоксиацетонфосфатный челнок. В результате окисления глицеральде-гид-3-фосфата в цитозоле генерируются NADH и АТР, доступные для использования в различных синтезах. З-Фосфоглицерат возвращается в строму, где при утилизации фотосинтетически генерированных АТР и NADPH он вновь превращается в диоксиацетонфосфат и весь процесс повторяется.

III. МЕТАБОЛИЗМ

^оксалоацетат +ITP -ccv

пируват

+C02 J+ATP

оксалоаи,етат ч

\ +GTP +4НЧ\4СоА \

сукцинил-СоА

Рис. 16.4. Ориентировочная схема пути аккумуляции гексозы у некоторых фото-

синтезирующих бактерий.

в оксалоацетат в цитозоле, у других — в митохондриях. Это самая простая система, но она нуждается в поступлении восстановительных эквивалентов в той же мере, как и в обеспечении С02.

Фотодыхание. Одна из совершенно удивительных особенностей метаболизма растений заключается в выраженной интенсификации «дыхания» (поглощения 02), которое отмечается почти у всех растений при освещении. Этот, очевидно, бесполезный эффект свя-

цитрагп ¦+ZH j4c02 ог-кетоглутарагл ·

фосфоенолпируват I

i4zh t

Уг retiC03a

ВозЭух

С02-

1

у.

клетка мезофилла

-СО,

'а

клетка обклаЭки сосуйистого пучка

С4

углевоЭ

t

СО,

Рис. 16.5. Общая схема метаболизма у С4-растений. В клетках мезофилла СОг фиксируется в Отсоединение, которое транспортируется в клетки обкладки сосудистого пучка, где в результате декарбоксилирования поддерживается [С02], необходимая для эффективного оперирования рибулозодифосфаткарбоксилазьг.

X л ороп ла cm

цитозоль

С0г

NADPH ?

ADP"* NADP+

hp

триоза

¦C02 +

фосфоенолпируват

оксалоацетат пируват ,

?___глутамат-^^i

[-кетоглута- ""? рат аспартат

аланин

1С

^Pt+ATP^

пируват —

аланин аспартат.

I^. oC- кетоглута-}Г pam

I4—*-глутамат---^

• пируват оксалоацетат

C02

Рис. 16.6. Одно из устройств для транспорта метаболитов в С4-растениях. Источником энергии служит АТР, синтезируемый в хлоропласте клетки мезофилла и используемый для образования фосфоенолпирувата в пируватортофосфатдикиназ-ной реакции (реакция 3) (разд. 14.5.1.). В цитозоле такой клетки С02 фиксируется в фосфоенолпируваткарбоксилазной реакции (реакция 1) с образованием оксалоацетата, который затем переаминируется в аспартат; последний передвигается в цитозоль клетки обкладки сосудистого пучка. Аминогруппа элиминируется пут