Единственной световод реакцией при фотосинтезе является двухступенчатое фотоэлектрическое преобразование, в процессе которого из воды экстрагируются электроны, а их потенциал поднимается почти до 1200 мВ. В результате такой реакции образуются НАДФН и АТФ. Их количества достаточно, чтобы поддерживать все аутотрофные биосинтетические механизмы, причем справляются они со своей задачей в отсутствие света. Именно так это происходит, например, у нефотосинтетических хемолитотрофных организмов.
Прежде, чем покинуть хлоропласты, нам следует хотя бы мельком взглянуть на наиболее известную из темновых реакций, а именно на фиксацию ССЬ. Проследить ее удалось исключительно с помощью радиоизотопной техники, использованной в сочетании с хроматографическим разделением . Осветив листья в присутствии радиоактивного 14С02 в течение с каждым разом укорачивающихся промежутков времени (всего каких-нибудь несколько секунд), а затем выделив из них и разделив меченые компоненты, ученые смогли установить, что самым ранним продуктом фиксации СО2 является фосфоглицериновая кислота. Благодаря этой разгадке начался поиск соответствующих реакций, и вскоре они были найдены. Это удивительный процесс, в котором дифосфорилированный пятиуглеродный сахар, рибулозо-1,5-дифосфат, вступает в реакцию с СОг и водой и дает в результате реакции две молекулы фосфоглицериновой кислоты. Фермент, катализирующий эту реакцию, связан с тилакоидной мембраной.
С фосфоглицериновой кислотой мы уже встречались при рассмотрении центральной стадии окислительного фосфорилирования при гликолизе. Фотосинтез воспользовался этим «доисторическим» окфос-блоком для выполнения ключевой восстановительной стадии — вначале в том виде, в каком он имелся, а затем произошла замена кофермента НАД на НАДФ. Воспользовавшись преимуществами высокоэнергетического потенциала, который развивается в резервуарах НАДН и НАДФН, этот процесс заставляет электроны двигаться в обратном направлении через окфос-блок, потребляя при этом АТФ.’ Таким образом, из фосфоглицериновой кислоты образуется фосфоглицериновый альдегид с помощью одной пары электронов, полученных от НАДН или НАДФН и за счет свободной энергии гидролиза АТФ.
В фотосинтезе эти реакции являются ключевыми. Они включены в сложный циклический процесс, известный как цикл Келвина (назван так в честь его первооткрывателя, американского химика). Мы не станем углубляться в подробности, рассмотрим только конечный результат.Молекула глюкозы образуется из шести молекул СОг и шести молекул воды. 12 пар электронов, которые должны выделить 12 лишних атомов кислорода, снабжаются от НАДФН. Дополнительные энергетические затраты покрываются за счет гидролиза в о^щей сложности 18 молекул АТФ.Что это означает в терминах энергетического выхода? Дебит: окисление 12 молекул НАДФН (660 ккал) плюс расщепление 18 молекул АТФ (252 ккал), что в целом составляет 912 ккал/г-моль образующейся глюкозы. Кредит: 686 ккал/г-моль, свободная энергия окисления глюкозы; эффективность в целом составляет 75%. Чтобы этого добиться, необходимо по меньшей мере 12X 164 ккал световой энергии. Следовательно, максимальная эффективность фотосинтеза составляет 35%. Она может быть несколько ниже в зависимости от количества и локализации окфос-болка в электронно-транспортной цепи.
У животных ключевой кофермент цикла Келвина отсутствует. Но они, как и растения, используют НАДФН в качестве основного электронного донора в восстановительном синтезе, например при преобразовании углеводов в жиры. Как и у растений, у животных развивается значительный энергетический уровень в резервуаре НАДФН, составляющий около 55 ккал/пара электрон-эквивалент, или 1200 мВ. Это достигается с помощью определенных веществ, действующих как высокоэнергетические электронные доноры; главное из них глюкозо-6-фосфат. При необходимости электроны могут направляться от НАДН к НАДФ+ посредством зависимого от энергии процесса, который протекает в митохондриях. И наоборот, существует механизм строгого контроля и регуляции избытка электронов, при котором лишние электроны из резервуара НАДФН падают до НАД+.
