Свободный кислород, эволюция клетки - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Известны два основных способа автотрофной ассимиляции углекислоты: 1) восстановительный рибулозодифосфатный цикл, или восстановительный пентозофосфатный цикл, или цикл Каль-
124
вина (Calvin, Bassham, 1962) и 2) восстановительный цикл кар-боновых кислот, или цикл Арнона (Evans, Buchanan, Arnori, 1966) 44. Цикл Кальвина имеет для автотрофов почти универсальное значение: он распространен у фотосинтезирующих эукариотов, у фототрофных прокариотов («роме зеленых серобактерий) и хе-моавтотрофов (кроме сульфатвосстанавливающих бактерий, которых вообще можно отнести к автотрофам лишь условно45, и, возможно, метанообразующих бактерий, у которых биохимические пути фиксации С02 не изучены). Наличие цикла Арнона более
цитрат
С02 НАДФ-Н
J I
КоА ¦ АТф-Ацетил-КоА -
оксалоацетат.
а - кетоглутарат КоА +-
-со2
Фд„
1 Г 1
НАД-Н Флавии-Н АТф +Н+ +Н+
Рис. 33. Цикл Арнона (короткий вариант)
сукцинил- КоА
или менее достоверно установлено только у зеленых серобактерий и, возможно, у R. rubrum (Кондратьева*, 1974).
Цикл Арнона известен в двух вариантах — коротком и длинном, включающих соответственно два или четыре карбокси-дирования за один оборот цикла. На рис. 33 представлен короткий вариант цикла Арнона. Как видно из рисунка, две молекулы С02 фиксируются последовательно на сукцинате (Отсоединении), а вернее, на активированной форме последнего —-сукцинил-КоА, и а-кетоглутарате (С5-соединении) с образованием Сб-соединения (на рисунке это — цитрат, но фактически при восстановительном карбоксилировании а-кетоглутарата образуется изомер цитрата — изоцитрат, который затем превращается в цитрат):
44 У некоторых высших растений — эндемиков тропиков и пустынь — в дополнение к циклу Кальвина и сопряженно с ним — функционирует еще так называемый цикл Хетча—Слека (Hatch, Slack, 1966), здесь не рассматриваемый.
45 Тип обмена сульфатвосстанавливающих бактерий может быть охарактеризован скорее как хемолитогетеротрофный, хотя способность к карбокси-лированию у них развита лучше, чем у обычных гетеротрофов (Заварзин,
125
Сукцинил-КоА + С02 + Фдвосст сУ^инил-^А-каРбоксилаза
-> а-кетоглутарат + КоА 4- Фд0кисл; (22)
а-КеТОГЛуТараТ + С02 + НАДФ -Н+Н+ НАД(Ф)-оксидоРедуетаза ^
-» изоцитрат + НАДФ+. (23)
Далее цитрат (Сб-соединение) при участии кофермента А и АТФ • распадается на С4 (оксалоацетат)- и С2 (ацетат)-фрагменты:
Цитрат -4- КоА 4 АТФ -> оксалоацетат 4 ацетил-КоА 4 АДФ. (24)
При этом ацетат в форме ацетил-КоА выводится из цикла (в виде чистой прибыли), а оксалоацетат при участии КоА, АТФ и восстановленных кофакторов (НАД-Н и флавин-Н) регенерирует в сук-цинил-КоА:
Оксалоацетат -f КоА 4 АТФ 4 НАД ¦ Н f флавин ¦ Н 4 2Н+
-> сукцинил-КоА 4 АДФ 4 НАД+ 4 флавин+. (25
Тем самым цикл замыкается, и вся последовательность реакций, начиная от сукцинил-КоА (ур. 22), может повторяться неограниченное число раз.
При сравнении рис. 33 и описывающих его уравнений (22— 25) с рис. 7 нетрудно заметить, что короткий вариант цикла .Арнона представляет собой как бы перевернутый цикл Кребса, приводящий не к распаду, а к созданию органического вещества и сопряженный не с выходом, а с затратой энергии и восстановителя.
Длинный вариант цикла Арнона, кроме двух уже описанных карбоксилирований (ур. 22 и 23), включает еще два карбокеили-рования и два фосфорилирования:
* тг а ' I /->/-% I «т» ацетил-КоА-карбоксилаза
Ацетил-КоА 4 С02 + ФдВОсст--*
^-пируват + КоА-ЬФДокисл; (26)
Пируват +' АТФ + ГТФ -> ФЕП + АДФ + ГДФ + Фи6; (27)
ФЕП + С02 ФЁП-карбоксилаза-> оксалоацетат + Ф,- (28)
В случае реализации реакции 26 (или 26—27, 26—28) процессы фиксации углекислоты приводят к образованию уже не С2-, а
46 Превращение пирувата в ФЕП путем прямого обращения пируватки-назной реакции (пируват+АТФ-э-ФЕП+АДФ) термодинамически невозможно из-за большого положительного изменения стандартной свободной энергии -при этой реакции (ДО°'= +7,5 ккал/моль), поэтому образование ФЕП из пирувата идет обходным путем и описывается суммарным уравнением (27) '^Ленинджер, 1974).
Сз-соединения (пирувата или ФЕП) или С4-соединения (оксало-ацетата). И С3-, и С4-соединения могут использоваться клеткой-как предшественники аминокислот, а Сз-соединения, кроме того„ как предшественники шестиуглеродных Сахаров при глюконеоге-незе. Суммарная реакция, ведущая от пирувата к свободной глюкозе в цепи обращенного гликолиза, где три фермента необратимого действия заменены тремя другими ферментами, может быть-описана следующим уравнением (Ленинджер, 1974):
2 пируват 4 4АТФ + 2ГТФ -+ 2НАД-Н + 2Н+ + 6Н20->.
глюкоза 4 4АДФ 4 2ГДФ +¦ 6ФН + 2НАД+. (29}
Подсчитаем энергетические расходы. Для получения 1 молекулы пирувата из 3 молекул С02 необходимо затратить 2АТФ4 + 1НАДФ-Н + 1НАД-Н+1 флавин-Н-Т-ЗН++2ФДВОССТ (сумма уравнений 22—26). Удвоим это количество энергии и восстановительной силы (для двух молекул пирувата) и приплюсуем сюда энергетические расходы глюконеогенеза (ур. 29) 47:
, 4АТФ +¦ 2НАДФ - Н + 2 НАД ¦ Н + 2 флавин -Н 4 6Н+ + 4ФдВ0Сст ^ 6АТФ _+2НАД-Н_4 2Н+_
