Фізіологія рослин - Мусієнко М.М. 2001

Фотосинтез: фізіолого-біохімічні та екологічні аспекти
Ключові ферменти ВПФ-циклу та активація їх світлом

Відновлення вуглекислого газу до вуглеводів вважають за «темнову» фазу фотосинтезу, розуміючи під цим те, що світло не відіграє ролі в цьому процесі. Однак, дослідження останніх років показали, що світло активує щонайменше п’ять ферментів циклу: рибулозобісфосфаткарбоксилазу, гліцеринтрифосфатальдегіддегідрогеназу, фруктозобісфосфатазу, седогептулозобісфосфатазу, фосфорибулокіназу. Тому, певне, не слід було б говорити про «темнову’’ фазу фотосинтезу, і ми зберігаємо цей термін лише заради смислового зв’язку з підручниками минулих років.

Світло спричинює різноманітні зміни властивостей хлоропласта, де знаходяться ці ферменти. Наприклад, світло перекачує протони зі строми хлоропласта у внутрішній простір тила- коїду, що спричинює підвищення pH. У темряві ж протони переходять назад у строму, знижуючи при цьому pH. Світло призводить також до перекачування іонів Мg⁺⁺ із внутрішнього простору тилакоїду до строми. Все це допомагає активувати раніше зазначені ферменти, оскільки для них оптимальними є саме ті концентрації протонів і Mg, які створюються на світлі.

Крім того, на світлі відновлюються сполуки, які називають «медіаторами дії світла», здатні, в свою чергу, активувати деякі ферменти циклу. Не всі вони ідентифіковані, але вважають, що це — білки, які містять амінокислоти, цистеїн та цистин. Ці амінокислотні залишки, перебуваючи у темряві, знаходяться в окисленій формі (мають сульфідний зв’язок -S-S-), а на світлі відновлюються і переходять у форму з сульфгідрильним зв’язком (-SH-HS-). Вважають, що відновлений медіатор дії світла реагує безпосередньо з неактивною формою ферменту, відновлюючи в ньому якусь групу, що відіграє ключову роль (можливо, це зв’язок -S-S-), і тим самим переводить фермент в активний стан. В цілому в основі регуляторних механізмів відновлення СО₂ лежить не тільки контроль ферментативної активності, а і вплив концентрації тих або інших метаболітів, транспортування їх між хлоропластом і цитоплазмою.

Відомо три ферменти, які властиві лише для циклу Кальвіна: рибулозобісфосфаткарбоксилаза, фосфорибулокіназа та седугептулозо-1,7-бісфосфатфосфатаза. Найголовнішим з них є рибулозобісфосфаткарбоксилаза (РУБІСКО). Очищений білок РУБІСКО— глобулярний, високомолекулярний гідрофільний білок, повністю розчинний в воді, не має катіонів та інших сполук. Фермент складається із великих та малих субодиниць, які відрізняються молекулярною масою і амінокислотним складом. Вважають, що фермент за формою нагадує куб, складений із 24 субодиниць. На долю малих субодиниць припадає 23-30% загального складу білка. Найімовірніша модель четвертинної структури ферменту — 8 великих і 8 малих субодиниць з молекулярною масою 51-58 тис. Да і 12-18 тис. Да відповідно. Активний центр фермента локалізований на великих субодиницях. Характерно, що фермент зберігає активність навіть за відсутності малих субодиниць. В свою чергу, малі субодиниці визначають конфігурацію ферменту і відповідають за регуляторну функцію. Ферментативну активність знайдено лише в агрегованих формах великих субодиниць. Вважають, що велика і мала субодиниця РУБІСКО синтезується у різних компартментах клітини: велика — на 70S полірибосомах у хлоропласті, мала — на 80S полірибосомах у цитоплазмі. Об’єднання субодиниць відбувається в хлоропласті.

Отже, біосинтез молекули РУБІСКО — складний процес, який відбувається у різних органелах клітини і контролюється генетичними системами ядра та хлоропластів.

РУБІСКО має 2 каталітичні центри: один — для зв’язування рибулозобісфосфату, другий — вуглекислого газу. Еволюція циклу Кальвіна відбувалася в ті геологічні епохи, коли в атмосфері переважав вуглекислий газ, а не кисень. Такі умови вплинули і на формування основного ферменту карбоксилування — рибулозо-біс-фосфаткарбоксилазиоксигенази. Цей фермент має досить низький рівень споріднення до СО₂ і тому здатний каталізувати побічну реакцію рибулозобісфосфату з О₂, що спричинює утворення фосфогліколевої кислоти:

Тому РУБІСКО здатна і до іншого типу каталітичної активності: вона може діяти як рибулозобісфосфатоксигеназа, тобто при наявності О₂ цей фермент каталізує розщеплення рибулозбісфосфату на 3-фосфогліцеринову та фосфогліколеву кислоти. Швидкість обох реакцій за участю даного ферменту залежиь від концентрації СО₂ та О₂ в стромі хлоропласта. В результаті у рослин з ВПФ-циклом значна частина фіксованого при фотосинтезі СО₂ втрачається внаслідок розпадання продуктів фіксації та виділення СО₂ в реакціях, що відбувалися з поглинанням О₃. Цей процес відбувається тільки на світлі і тому його називають фотодиханням.