§ 13. Темновая фаза фотосинтеза

Определения и обозначения

Темновая фаза фотосинтеза — совокупность реакций, в которых из CO₂ синтируются органические вещества с использованием энергии и восстановительной силы, полученных в световой фазе. Она не требует прямого участия света, но зависит от продуктов световых реакций. Благодаря этому неорганический углерод становится частью веществ клетки.

Цикл Кальвина — циклическая последовательность реакций фиксации CO₂, восстановления промежуточных соединений и восстановления акцептора углекислого газа. Цикл называют циклическим, потому что вещество, которое принимает CO₂, в конце снова образуется. Так клетка может фиксировать новые порции углекислого газа.

Фиксация углекислого газа — включение неорганического углерода CO₂ в органическое соединение. Иными словами, атом углерода из молекулы газа становится частью промежуточного продукта обмена веществ. Это первый шаг к образованию углеводов, но не непосредственное получение глюкозы.

Рибулозо-1,5-бисфосфат (РуБФ) — акцептор CO₂, то есть молекула, к которой присоединяется углекислый газ. В ходе цикла РуБФ расходуется, а затем восстанавливается из промежуточных продуктов. Его повторное образование позволяет циклу продолжать фиксацию углерода.

Как это устроено

Реакции цикла Кальвина идут в строме хлоропласта — внутренней среде, окружающей тилакоиды. Здесь находятся ферменты, которые проводят последовательные превращения веществ. Для них нужны АТФ как источник энергии и НАДФ·Н как источник восстановительной силы; оба вещества образуются в световой фазе. Поэтому реакции не используют свет прямо, но связаны со световой фазой снабжением.

На этапе фиксации фермент Рубиско присоединяет молекулу CO₂ к рибулозо-1,5-бисфосфату. Получается соединение с шестью атомами углерода, однако оно неустойчиво и сразу распадается. В результате возникают две молекулы 3-фосфоглицерата. Эта реакция переводит углерод CO₂ в форму, которую клетка может дальше преобразовывать.

Затем 3-фосфоглицерат восстанавливается до триозофосфата. Для этого расходуются АТФ и НАДФ·Н: первая обеспечивает энергией превращения, а второе участвует в восстановлении вещества. Триозофосфат — трёхуглеродный продукт, из которого клетка может синтезировать углеводы и другие органические соединения. Однако не весь он сразу используется для построения новых веществ.

Большая часть триозофосфата направляется на регенерацию — восстановление израсходованного акцептора CO₂. Этот этап также требует АТФ, поскольку из промежуточных соединений нужно вновь получить рибулозо-1,5-бисфосфат. Когда акцептор восстановлен, он может принять следующую молекулу CO₂. Поэтому регенерация замыкает цикл и поддерживает его дальнейшую работу.

Баланс удобно считать для трёх молекул CO₂: расходуются 9 молекул АТФ и 6 молекул НАДФ·Н. В результате одна молекула триозофосфата выходит из цикла как чистый продукт, а остальная часть используется для регенерации РуБФ. Это показывает, почему продукт не равен всему образовавшемуся триозофосфату. Для шести молекул CO₂ все величины баланса нужно увеличить вдвое.

Этапы цикла Кальвина

Читайте таблицу слева направо: она показывает последовательность этапов, участников и результат каждого превращения. Чтобы понять, откуда берётся чистый продукт, проследите, какая часть триозофосфата идёт на регенерацию, а какая остаётся клетке. Для расчётов используйте общий баланс, а не только затраты одного отдельного этапа.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Укажите, где в хлоропласте происходит цикл Кальвина и какие вещества световой фазы обеспечивают его энергией. Нужно связать место реакций с устройством хлоропласта, а вещества — с их функцией. Не следует путать место образования ресурсов с местом использования этих ресурсов.

1. Цикл Кальвина состоит из ферментативных реакций фиксации и дальнейших превращений углеродных соединений.
2. Эти реакции протекают в строме хлоропласта, где находятся необходимые ферменты.
3. Световая фаза образует АТФ и НАДФ·Н: АТФ обеспечивает энергией, а НАДФ·Н — восстановительной силой.

Ответ. Цикл Кальвина идёт в строме хлоропласта и использует АТФ и НАДФ·Н, образованные в световой фазе.

Задача 2

Условие. Для фиксации 6 молекул CO₂ определите расход АТФ и НАДФ·Н и число молекул триозофосфата, выходящих как чистый продукт. Известно, что при фиксации 3 CO₂ расходуются 9 АТФ и 6 НАДФ·Н, а чистым продуктом становится одна молекула триозофосфата. Сначала найдите, во сколько раз изменилось количество CO₂.

1. Сравните заданное количество с базовым: 6 ÷ 3 = 2. Значит, весь баланс нужно увеличить в два раза.
2. Умножьте расход АТФ: 9 × 2 = 18 молекул.
3. Умножьте расход НАДФ·Н: 6 × 2 = 12 молекул; чистый выход триозофосфата: 1 × 2 = 2 молекулы.

Ответ. Расходуются 18 молекул АТФ и 12 молекул НАДФ·Н; две молекулы триозофосфата выходят как чистый продукт цикла.

Задача 3

Условие. Растение получает CO₂ с меченым углеродом. Проследите, где метка появится сначала, затем и после этого. Меченый атом позволяет отследить путь углерода, но сам по себе не меняет последовательность реакций. Поэтому двигайтесь по этапам цикла, начиная с присоединения CO₂.

1. Рубиско присоединяет меченый CO₂ к рибулозо-1,5-бисфосфату.
2. Неустойчивое соединение распадается, и метка оказывается в молекулах 3-фосфоглицерата.
3. При восстановлении метка переходит в триозофосфат, а затем может попасть в углеводы и другие органические вещества.

Ответ. Метка появится сначала в продуктах фиксации — 3-фосфоглицерате, затем в триозофосфате и после этого в синтезируемых из него органических веществах.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что «темновая» означает протекание только в темноте. Такое понимание возникает из-за буквального прочтения названия, но реакции могут идти и на свету. Проверь себя: цикл не использует свет напрямую, однако нуждается в АТФ и НАДФ·Н световой фазы.

Ошибка: отождествлять фиксацию CO₂ с образованием глюкозы за один шаг. Углерод сначала включается в промежуточные соединения и проходит несколько превращений. Проверь себя: первым устойчивым продуктом фиксации называют 3-фосфоглицерат, а не глюкозу.

Ошибка: считать, что весь образовавшийся триозофосфат покидает цикл. Так можно решить, если не учитывать замыкание цикла и восстановление акцептора. Проверь себя: большая часть триозофосфата расходуется на регенерацию рибулозо-1,5-бисфосфата.

Ошибка: записывать АТФ и НАДФ·Н как продукты темновой фазы. Путаница возникает потому, что эти вещества участвуют в её реакциях. Проверь себя по балансу: в цикле они расходуются, а образуются в световой фазе.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в цикле Кальвина, нужно знать строение хлоропласта: это помогает отличить строму от тилакоидов и понять, где идут разные реакции. Также важно различать световую фазу и цикл Кальвина: первая создаёт АТФ и НАДФ·Н, второй использует их для превращения CO₂. Эти знания пригодятся при изучении синтеза углеводов и взаимосвязи обмена веществ. Они помогают объяснить, как условия среды влияют на интенсивность фотосинтеза.

Что запомнить

• Цикл Кальвина протекает в строме хлоропласта.
• CO₂ фиксируется с участием фермента Рубиско.
• Первым устойчивым продуктом фиксации CO₂ становится 3-фосфоглицерат.
• Для восстановления промежуточных веществ расходуются АТФ и НАДФ·Н.
• Часть триозофосфата используется для синтеза органических веществ.
• Большая часть триозофосфата идёт на регенерацию акцептора CO₂.
• При фиксации 3 CO₂ расходуются 9 АТФ и 6 НАДФ·Н.