Microbiology

Большинство организмов, способных расти в условиях, когда един ственным источником углерода служит углекислота, фиксируют ее через рибулозобисфосфатный цикл (цикл-Кальвина-Бассама). К таким орга­низмам относятся аэробные хемолитоавтотрофные бактерии, почти все фототрофные   бактерии,   цианобактерии   и   зеленые   растения.   Цикл Кальвина- Бассама определенно не участвует в ассимиляции С0₂ у ме-танобразующих и ацетогенных бактерий, хотя они тоже относятся к хе-молитоавтотрофным организмам.

Для рибулозобисфосфатного цикла характерны два фермента, не участвующие в других метаболических путях,-фосфорибулокиназа и рибулозобисфосфат-карбоксилаза. Последний фермент представляет собой белок, в количественном отношении преобладающий над всеми другими белками на нашей планете. Рибулозобисфосфатный цикл -это восстановительный процесс, в котором С0₂ восстанавливается до уров ня углеводов. В цикле могут быть выделены три участка: 1) реакция карбоксилирования, 2) восстановление и 3) регенерация молекул, служа щих акцепторами С0₂.

Реакция карбоксилирования. При участии рибулозобисфосфат-кар-боксилазы к рибулозо-1,5-бисфоефату присоединяется С0₂, и в резуль тате образуются две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты:

Этот же фремент может катализировать и другую реакцию. В отсут ствие С0₂ и в присутствии 0₂ он проявляет оксигеназную активность, окисляя рибулозобисфосфат до фосфогликолата и 3-фосфоглицерата. Эта реакция участвует в образовании гликолевой кислоты у авто-трофных бактерий и у зеленых растений, а следовательно - в фотодыха нии.

Реакция восстановления. За реакцией карбоксилирования следует вос становление карбоксильной группы 3-фосфоглицерата до альдегидной группы. В нем участвуют реакции, известные для фруктозобисфосфатно-го пути, т.е. фосфорилирование под действием 3-фосфогли-цераткиназы за счет АТР и восстановление при участии глицеральде гид-3-фосфатдегидрогеназы за счет NAD(P)H₂. У бактерий эта реакция зависит от NAD, а у растений-от NADP¹.

Восстановление 3-фосфоглицерата-это, собственно, и есть тот этап ассимиляции С0₂, который требует затраты энергии и восстановитель ной силы. Последующие стадии происходят на примерно одинаковом энергетическом уровне.

Регенерация акцепторов СО. Глицеральдегид-3-фосфат находится в равновесии с дигидроксиацетонфосфатом (триозофосфатизомеразная реакция), а оба триозофосфата-в равновесии с фруктозо-1,6-дифосфа-том (альдолазная реакция).

Фруктозобисфосфат дефосфорилируется под действием фруктозобис-фосфатазы с образованием фруктозо-6-фосфата. Затем из одной моле кулы фруктозо-6-фосфата и трех молекул триозофосфата образуются три молекулы рибозо-5-фосфата. Некоторые из ферментов, катализи рующих эти превращения, участвуют и в окислительном пентозофос-фатном цикле. Первое из этих превращений-транскетолазнаяреакция (рис. 11.2, справа). Транскетолаза катализирует перенос гликольной группы от кетозомонофосфата на альдозофосфат. Гликолевый альдегид при этом временно связывается с тиаминдифосфатом (тиаминпирофос-фатом), играющим роль кофермента: получается «активный гликолевый альдегид.

Образующийся в ходе транскетолазной реакции тетрозофосфат (эри-трозо-4-фосфат) превращается вальдолазной реакции с дигидроксиацетонфосфатом в седогептулозо-1,7-бисфосфат. Последний подвергается при участии фруктозобисфофатазы дефосфорилированию в положении 1 с образованием седогептулозо-7-фосфата. Эта реакция гидролиза фос форного эфира необратима и дает возможность регулировать метабо лизм в данном пункте.

Для высших растений точно установлено, что в ходе фотосинтеза ре генерация рибулозо-5-фосфата происходит через седогептулозо-1,7-бис-фосфат (рис. 11.2, справа); однако в темноте синтез пентозофосфатов ве дет через трансальдолазную реакцию прямо к седогептулозо-7-фосфату (рис. 11.2,слева).

Гликолильная группа седогептулозо-7-фосфата переносится с по мощью транскетолазы на глицеральдегид-3-фосфат, что ведет к образо ванию двух пентозофосфатов. Эти пентозофосфаты (рибозо-5-фосфат и ксилулозо-5-фосфат) находятся в равновесии с рибулозо-5-фосфатом. Последней реакцией рибулозобисфосфатного цикла является фосфори-лирование рибулозо-5-фосфата за счет АТР при участиифосфорибуло-киназы до рибулозо-1,5-бисфосфата.

Баланс рибулозобисфосфатного цикла. Для синтеза 1 моля гексозы из 6 молей С0₂ необходимы шесть оборотов. Баланс фиксации С0₂ в ри-булозобисфосфатном цикле можно представить следующим уравне­нием:

Хотя цикл и изображают замкнутым, многие его промежуточные продукты служат важными исходными веществами для синтеза кле точных компонентов: из 3-фосфоглицерата образуются пируват и аце-тил-СоА, из эритрозо-4-фосфата - ароматические аминокислоты; рибо-зо-5-фосфат используется для синтеза нуклеотидов, а гексозофосфаты-для построения полимеров. Регуляция активности некоторых участвующих в цикле ферментов преследует, видимо, две цели: с одной стороны, на фиксацию С0₂ (связанную с большой затратой энергии) не должно расходоваться слишком много АТР; с другой стороны, цикл не должен прерваться (что могло бы произойти, если бы его промежуточные про дукты оказались использованными.

Другие пути автотрофной фиксации С0₂. Фиксация С0₂ в рибулозо-бисфосфатном цикле является ныне хотя и важнейшей для биосферы, но далеко не единственной цепью реакций, ведущей к синтезу органических веществ. Анаэробные автотрофные бактерии располагают двумя други ми механизмами ассимиляции С0₂. Метанобразующие, ацетогенные и сульфатредуцирующие (сульфидогенные) бактерии, способные исполь зовать в качестве донора электронов Н₂ или СО, восстанавливают С0₂ по анаэробному ацетил-СоА-пути до ацетил-СоА и пирувата. Последний вступает в результате известных реакций на центральные пу ти биосинтеза.

Зеленые серобактерии (Chlorobium limicola, forma thiosulfatophilum) фиксируют С0₂ исключительно с помощью реакций восстановительно го цикла трикарбоновых кислот; С0₂ фиксируется благодаря восстано­вительному карбоксилированию сукцинил-СоА.

Сравнение всех трех типов автотрофной фиксации С0₂ позволяет заклю чить, что анаэробные процессы более экономны, чем аэробные. Синтез 1 моля триозофосфата из 3 молей С0₂ по анаэробному ацетил-СоА-пути требует за траты всего лишь 3 молей АТР, в восстановительном цикле трикарбоновых кислот-затраты 5 молей АТР, а в рибулозобисфосфатном цикле-9 молей АТР.

Общие реакции фиксации С0₂. Мы уже не раз упоминали о том, что и гетеротрофные организмы нуждаются в двуокиси углерода и вовле кают ее в свой метаболизм. Отмечалась роль карбоксилирования пиру-вата и фосфоенолпирувата в функционировании цикла трикарбоновых кислот. В какие промежуточные продукты обмена может включиться С0₂, показано на рис. 11.3.

Упоминавшиеся реакции фиксации С0₂ играют различную роль у разных организмов. Некоторые из них служат для активации метабо литов или для пополнения центральных биохимических путей метабо литами. Реакции восстановительного карбоксилирования, зависимые от ферредоксина, встречаются лишь у некоторых анаэробных и фото-трофных бактерий.