да. Активированный водород вводится в цикл с помощью двух

молекул НАДФН2 (ДР= 2X52,6 ккал), а само восстановление, сопряженное с затратой энергии двух молекул

АТФ, сводится к превращению 3-фосфоглицериновой

кислоты (через 1,3-дифосфоглицериновую кислоту) в

триозофосфат (глицеральдегид-3-фосфат):

Н2С—О-Р Н2С—О—Р н2С—О—Р

нс-он +АТФ н!:-он HLOH

I I I

СООН СООР нс=ю

Эта, по крайней мере, двухстадийная реакция также в целом экзергонична.

3. Путь восстановления углерода. Конденсация двух

молекул триозофосфата дает радикал СНгО (1С) и рибулозо-5-монофосфат (5С) или 2(ЗС) = 1С + 5С. Для образования молекулы глюкозы (6С) требуется, следовательно, шестикратное обращение цикла: GX(CH20) = СеН^Об.

4. Замыкание цикла (регенерация рибулозодифосфа-та). Рибулозо-5-монофосфат, образующийся несколькими ферментативными путями из двух молекул триозофос-фата (2С + ЗС = 5С), фосфорилируется с помощью АТФ до рибулозо-1,5-дифосфата— первичного акцептора С02 в цикле Кальвина:

Н2С—ОН

НС—ОН ? НС-ОН

нас—О—Р

+АТФ

Н2С—О—Р

НС—ОН

НС-ОН Н2С-0-Р

Таким образом, из трех молекул АТФ две используются на стадии фосфорилирования двух молекул 3-фос-фоглицериновой кислоты, а одна — на регенерационной стадии цикла при превращении рибулозо-5-монофосфата в рибулозо-1,5-дифосфат. Обе молекулы НАДФН2 используются на восстановительной стадии цикла — превращение 1,3-дифосфоглицериновой кислоты в глице-ральдегид-3-фосфат.

Известно, что цикл Кальвина связан побочными ветвями с другими метаболическими путями и циклами, например, с циклом CU-дикарбоновых кислот (цикл Хетча— Слэка). В основе представлений об этом цикле лежит следующий экспериментальный факт. У некоторых тропических злаковых в первые секунды фотосинтеза меченый углерод включается не в фосфоглицериновую кислоту и сахара, а в органические кислоты — щавелевоуксус-ную и яблочную. При этом в них обнаруживается до 80% поглощенной метки. Появление меченого углерода в фос-фоглицериновой кислоте и фосфорилированных сахарах можно зарегистрировать только через 5—10 мин. Показано, что первичным акцептором С02 является фосфо-энолпировиноградная кислота, претерпевающая ряд последовательных ферментативных превращений:

СООН

СООН

СН2

С—0~Р

С02, Н20, Mg2+ снн3ро4 "

НАДФН- СН2 + НАДФ

снон

СООН

Фосфоэнолпировиноградная кислота

Яблочная кислота

В ходе восстановительного аминирования щавелевоук-сусная и яблочная кислоты превращаются в аминокислоты. В свою очередь щавелевоуксусная и яблочная кислоты могут декарбоксилироваться с образованием пиро-виноградной кислоты, которая затем регенерирует в фосфоэнолпировиноградную кислоту. Освобождающийся же при декарбоксилировании СОг фиксируется в цикле Кальвина. Таким образом, цикл Сгдикарбоновых кислот представляет собой своеобразный метаболический путь, с помощью которого определенная доля поглощенного растением С02 утилизируется для нужд белкового синтеза.

Следует отметить, что растения с С4-способом фиксации С02 имеют по сравнению с С3-растениями (утилизирующими С02 с помощью реакций цикла Кальвина) ряд преимуществ, особенно в условиях жаркого тропического климата и водного дефицита. Основное из них заключается в том, что у Сграстений первичное связывание С02 осуществляется ферментом фосфоэнолпируваткарбокси-лазой, обладающей значительно большим сродством к С02 (/(т = 7мкМ), чем рибулозодифосфаткарбоксилаза у Сз-растений (/Сш= 450 мкМ). Благодаря этому и некоторым анатомическим особенностям, направленным на концентрирование С02 у фотосинтезирующих клеток, С4-рас-тения получают возможность аккумулировать С02 без больших потерь воды (и энергии) при транспирации и «полузакрытых» устьицах. Возможно, прежде всего по этой причине сахарный тростник является одним из «рекордсменов» по фотосинтетической продуктивности, превосходя в этом отношении другие растения Сз-типа в 2—3 раза.

Природа конечных продуктов, образующихся на заключительных стадиях фотосинтеза, зависит от ряда факторов: спектрального состава света, условий внешней среды и физиологического состояния растения. Например, синий свет способствует образованию аминокислот и других азотсодержащих соединений: при сильном снижении парциального давления С02 в атмосфере и высокой освещенности начинает функционировать так называемый гликолатный путь образования углеводов; в зависимости от физиологического состояния одна и та же культура хлореллы может продуцировать то более 30% аминокислот, то более 30% липидов.

По всей видимости, эти различия в природе конечных продуктов связаны не с перестройками на уровне фотохимических и электронно-транспортных стадий фотосинтеза, а с регуляторными изменениями на стадиях темно-вых ферментативных реакций, возможно, за пределами цикла Кальвина или даже с использованием иных синтетических механизмов. Действительно, сдвиг в сторону образования аминокислот у хлореллы под влиянием синего света сохраняется в присутствии диурона и происходит при каталитических интенсивностях света с длиной волны 453 нм.

14. РОЛЬ МЕМБРАННОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА

В настоящее время твердо установлено, что фотосинтетические пигменты и прежде всего хлорофилл так или иначе ассоциированы с мембранной системой хлоропластов. В мембранной системе локализована также электронно-транспортная цепь фотосинтеза (на каждый тила-коид приходится около 200 цепей).

Мембранная организация имеет огромное значение для протекания фотохимических и электронных стадий фотосинтеза, с одной стороны, и регуляции фотосинтетической активности,— с другой. Прежде всего мембраны обеспечивают пространственную близость и стереометрически-функциональное соответствие между пигментами и переносчиками электронов, необходимые для эффективной работы фотосинтетического аппарата. Таким путем достигается практически 100-процентный квантовый выход первичной фотохимической реакции, причем константа ее скорости должна значительно превосходить константы скорости дезактивации электронно-возбужденного состояния хлорофилла реакционного центра при люминесценции и диссипации электронной энергии в тепло. Стереометрия расположения переносчиков электронов в мембранах в норме предотвращает их утечку на посторонние акцепторы и сводит до минимума электронные потери на обоих нисходящих электронных каскадах. По-видимому, высокая эффективность работы электронно-транспортной цепи обеспечивается туннельными эффектами между переносчиками электронов. Известно, что каждый из переносчиков электронов может отдавать электрон кислороду (аутоокисление). Это, однако, как правило, в хлоропластах не происходит. Вследствие упорядоченного взаиморасположения различных переносчиков в мембране хлоропластов создаются условия для направленного и эффективного транспорта электронов.

Не исключено также, что рассмотренная выше Z-cxe-ма не исчерпывает сложных взаимоотношений между пигментными системами и переносчиками электронов, возникающих в ходе работы реальной фотосинтетической машины. В последние годы получены экспериментальные доказательства энергетических взаимодействий между соседними фотосинтетическими единицами: выявляется миграция энергии между субъединицами обеих систем. Все больше аргументируются и представления о том, что существует несколько путей (электронных каскадов) от воды к фотосистеме I. Электроны могут переноситься от фотосистемы II к фотосистеме I не по одной, а по нескольким параллельным цепочкам переносчиков. В то же время фотосистема I, по-видимому, способна питаться электронами, поступающими от нескольких (например, четырех) фотосистем IL Эффективный контроль скорости транспорта электронов осуществляется также с помощью специальных электронных «емкостей». Как показали исследования А. Б. Рубина, из общего, представленного в хлоропластах, пластохинона в реакциях транспорта участвует только около 10—20%, а остальные 80—90% используются тогда, когда в этом возникает острая необходимость. Благодаря такому резерву восстановленного пластохинона в цепи транспорта электронов постоянно поддерживается стабильное редокс-состояние переносчиков. К числу других факторов, контролирующих скорость транспорта электронов, нужно отнести конформационное состояние отдельных переносчиков, от которого зависит интенсивность межмолекулярных взаимодействий между компонентами цепи транспорта. По-видимому, на основе оптимизации межмолекулярных взаимодействий достигается наиболее удачная с точки зрения «сброса» и «усвоения» электрона компоновка отдельных элементов цепи.

Вследствие сложного характера миграционных и электронно-транспортных взаимоотношений между структурными элементами, размещенными в мембране, фотосинтетическая «машина» приобретает черты статическо-ди-намической системы, в которой для энергии кванта света обычно находится канал утилизации: если «свой» загружен, закрыт «переработкой» предыдущего кванта, будет использован параллельный или соседний канал. Так сформировались представления о так называемой муль-тицеигральной модели фотосинтетических единиц. Согласно этой модели, достаточно большое число взаимодействующих между собой фотохимических центров включено в единую систему пигментов-светосборщиков и цепей транспорта электронов, в которой каждый центр равновероятно конкурирует за квант поглощенного света.

В противоположность этому в постулированной ранее уницентральной модели каждый фотохимический центр постоянно обслуживается только своим определенным пигментным фондом светосборщиков. Первые экспериментальные доказательства в пользу мультицентральной модели были получены в 1963 г. Вреденбергом и Дюй-сенсом, которые обнаружили гиперболический характер зависимости между величиной квантового выхода флуоресценции и степенью окисленности фотохимических центров.

В дальнейшем П. Жолио и А. Жолио при изучении скорости выделения кислорода в зависимости от степени закрытия реакционных центров фотосистемы II у хлореллы получили дополнительные доказательства мультицен-трального функционирования фотосистемы II.

Л. А. Тумерман и Е. М. Сорокин обнаружили пропорциональность между кванто