Следующие реакции протекают в строме хлоропласта. Поскольку для них не нужен свет, соответствующую стадию фотосинтеза назвали темновой. Именно в ней происходит биологическая фиксация углерода, в результате чего синтезируются органические вещества, в химических связях которых запасена энергия, первоначально полученная при возбуждении электрона хлорофилла квантом света.
Углекислый газ способен реагировать с пятиуглеродным соединением - рибулёзо-1,5-бифосфатом (рис. 178), которое образуется в строме в результате фосфорилирования с помощью АТР молекул рибулёзо-5-фосфата. Эта реакция катализируется ферментом фосфорибулёзокиназой. Присоединение СО2 к рибулёзо-1,5-бифосфату проходит с участием другого фермента - рибулёзобифосфаткарбоксилазы. Полученный в результате этого шестиуглеродный промежуточный продукт быстро распадается на две триозы - две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты.
Рис. 178. Упрощенная схема связывания СО2 с образованием органических веществ:
А - двуокись углерода;
Б - рибулёзо-1,5-бифосфат;
В - промежуточный продукт;
Г - две молекулы 3-фосфоглицерата (по Б. Албертсу, с изменениями)
Следующим этапом является восстановление 3-фосфоглицериновой кислоты до 3-фосфоглицеринового альдегида. Это достигается путем фосфорилирования исходных триоз с помощью АТР, в результате чего образуются молекулы 1,3-бифосфоглицериновой кислоты (реакция катализируется ферментом фосфоглицераткиназой), а они, в свою очередь, взаимодействуя с NADPH, восстанавливаются до 3-фосфоглицеринового альдегида.
Здесь возникает вопрос: из каких источников пополняются запасы первичного акцептора углекислого газа? Регенерация рибулёзо-1,5-бифосфата осуществляется по замкнутому циклу, который по имени исследователей, открывших его, был назван циклом Кальвина - Бенсона (рис. 179). В этой цепи реакций в результате фиксации трех молекул СO2 образуется шесть молекул 3-фосфоглицериновой кислоты, содержащих совместно восемнадцать атомов углерода (три из них получены от трех фиксированных молекул углекислого газа). Затем они проходят сложный цикл реакций, в результате которых регенерируют три молекулы рибулёзо-1,5- бифосфата (совместно содержащих пятнадцать атомов углерода) и образуется одна трехуглеродная молекула 3-фосфоглицеринового альдегида. Иными словами, в цикл вступают органические соединения (молекулы рибулёзо-1,5-бифосфата) и неорганические (молекулы углекислого газа), а в итоге образуются только органические - регенерирует то же количество молекул рибулёзо- 1,5- бифосфата и дополнительно появляется органическая молекула 3-фосфоглицеринового альдегида.
Полученное трехуглеродное соединение (молекула 3-фосфоглицеринового альдегида) уже само по себе является одним из промежуточных продуктов гликолиза. Некоторая часть 3-фосфоглицеринового альдегида остается в строме хлоропласта, где затем превращается в глюкозо-1-фосфат, который, в свою очередь, сначала превращается в ADP-глюкозу, а затем в крахмал (рис. 180). Особенно много крахмала откладывается в хлоропластах днем при интенсивном течении фотосинтетических процессов, ночью под действием соответствующих ферментов крахмал расщепляется до растворимых форм и используется растением. Однако большая часть 3-фосфоглицеринового альдегида переходит в гиалоплазму и вступает в реакции, которые представляют собой гликолиз, но идущий в обратном порядке. При этом образуется глюкозо-1-фосфат и фруктозо-6-фосфат. В конечном итоге получается сахароза, которая загружается во флоэму и транспортируется по ней к органам, нуждающимся в энергии, или к органам и тканям, запасающим питательные вещества впрок.
Рис. 179. Цикл фиксации углерода в темповой стадии фотосинтеза (цикл Кальвина - Бенсона):
В ходе этого цикла из СО2 и Н2О образуются органические молекулы. Для упрощения схемы многие промежуточные продукты на пути от глицеральдегид-3-фосфата к рибулёзо-5-фосфату опущены. Участие воды в цикле также не показано. (по В. Албертсу, с изменениями и дополнениями)
Продолжительное время считали, что углеводы являются единственными продуктами фотосинтеза, а все остальные органические вещества образуются в результате реакций, не имеющих прямого отношения к нему. Однако сейчас накопилось немало данных, свидетельствующих о том, что непосредственными продуктами фотосинтеза, наряду с углеводами, является целый ряд других органических соединений. Так, уже фосфоглицериновая кислота с помощью реакции аминирования способна превращаться в аминокислоту серин или преобразовываться в фосфоенолпировиноградную кислоту, а затем в пируват. Из пирувата образуются многие органические кислоты. Тем не менее, совершенно неоспоримым фактом является то, что все органические вещества живых организмов (за исключением веществ, полученных в результате хемосинтеза) образуются в результате биохимических превращений продуктов фотосинтеза.
Рис. 180. Схема образования сахарозы и крахмала из продуктов фотосинтеза