Überblick über den Calvin-Zyklus und die Kohlenstofffixierung

Der Calvin-Zyklus, Calvin-Benson-Bassham-Zyklus (CBB-Zyklus), reduktiver Pentosephosphatzyklus (RPP-Zyklus) oder C3-Zyklus ist eine Reihe von biochemischen Redoxreaktionen, die im Stroma der Chloroplasten in photosynthetischen Organismen ablaufen.

Der Zyklus wurde 1950 von Melvin Calvin, James Bassham und Andrew Benson an der Universität von Kalifornien, Berkeley, mit Hilfe des radioaktiven Isotops Kohlenstoff-14 entdeckt.

Die Photosynthese erfolgt in einer Zelle in zwei Stufen. In der ersten Stufe fangen lichtabhängige Reaktionen die Energie des Lichts ein und nutzen sie, um die Energiespeicher- und Transportmoleküle ATP und NADPH herzustellen. Der Calvin-Zyklus nutzt die Energie von kurzlebigen elektronisch angeregten Ladungsträgern, um Kohlendioxid und Wasser in organische Verbindungen umzuwandeln, die vom Organismus (und von den Tieren, die sich von ihm ernähren) genutzt werden können. Diese Reihe von Reaktionen wird auch als Kohlenstofffixierung bezeichnet. Das Schlüsselenzym des Zyklus heißt RuBisCO. In den folgenden biochemischen Gleichungen existieren die chemischen Spezies (Phosphate und Carbonsäuren) in Gleichgewichten zwischen ihren verschiedenen ionisierten Zuständen, die durch den pH-Wert bestimmt werden.

Die Enzyme im Calvin-Zyklus sind funktionell äquivalent zu den meisten Enzymen, die in anderen Stoffwechselwegen wie der Gluconeogenese und dem Pentosephosphatweg verwendet werden, aber sie befinden sich im Chloroplastenstroma statt im Zellcytosol, wodurch die Reaktionen getrennt sind. Sie werden im Licht aktiviert (weshalb die Bezeichnung „Dunkelreaktion“ irreführend ist), und zwar auch durch Produkte der lichtabhängigen Reaktion. Diese regulatorischen Funktionen verhindern, dass der Calvin-Zyklus zu Kohlendioxid veratmet wird. Bei der Durchführung dieser Reaktionen, die keine Nettoproduktivität haben, würde Energie (in Form von ATP) verschwendet werden.

Die Summe der Reaktionen im Calvin-Zyklus ist die folgende:

3 CO
2 + 6 NADPH + 6 H+ + 9 ATP → Glyceraldehyd-3-phosphat (G3P) + 6 NADP+ + 9 ADP + 3 H
2O + 8 Pi (Pi = anorganisches Phosphat)

Hexose (Sechs-Kohlenstoff-Zucker) ist kein Produkt des Calvin-Zyklus. Obwohl in vielen Texten ein Produkt der Photosynthese als C
6H
12O
6 aufgeführt wird, ist dies hauptsächlich eine Bequemlichkeit, um der Gleichung der Atmung entgegenzuwirken, bei der Sechskohlenstoffzucker in den Mitochondrien oxidiert werden. Die Kohlenhydratprodukte des Calvin-Zyklus sind Dreikohlenstoff-Zuckerphosphatmoleküle oder „Triosephosphate“, nämlich Glyceraldehyd-3-phosphat (G3P).

SchritteBearbeiten

In der ersten Stufe des Calvin-Zyklus wird ein CO
2-Molekül in eines von zwei Drei-Kohlenstoff-Molekülen (Glyceraldehyd-3-Phosphat oder G3P) eingebaut, wobei es zwei Moleküle ATP und zwei Moleküle NADPH verbraucht, die in der lichtabhängigen Stufe entstanden sind. Die drei beteiligten Schritte sind:

Calvin-Zyklus Schritt 1 (schwarze Kreise stellen Kohlenstoffatome dar)

Calvin-Zyklus Schritte 2 und 3 kombiniert

1. Das Enzym RuBisCO katalysiert die Carboxylierung von Ribulose-1,5-Bisphosphat, RuBP, einer 5-Kohlenstoff-Verbindung, durch Kohlendioxid (insgesamt 6 Kohlenstoffe) in einer zweistufigen Reaktion. Das Produkt des ersten Schritts ist ein Enediol-Enzymkomplex, der CO
   2 oder O
   2 einfangen kann. Der Enediol-Enzymkomplex ist also die eigentliche Carboxylase/Oxygenase. Das CO
   2, das von Enediol im zweiten Schritt eingefangen wird, erzeugt eine instabile Sechs-Kohlenstoff-Verbindung namens 2-Carboxy-3-keto-1,5-biphosphoribotol (CKABP) (oder 3-Keto-2-carboxyarabinitol-1,5-bisphosphat), die sich sofort in zwei Moleküle 3-Phosphoglycerat (auch als 3-Phosphoglycerinsäure, PGA, 3PGA oder 3-PGA geschrieben), eine 3-Kohlenstoff-Verbindung, spaltet.
2. Das Enzym Phosphoglyceratkinase katalysiert die Phosphorylierung von 3-PGA durch ATP (das in der lichtabhängigen Phase gebildet wurde). 1,3-Bisphosphoglycerat (1,3BPGA, Glycerat-1,3-bisphosphat) und ADP sind die Produkte. (Es ist jedoch zu beachten, dass für jedes CO
   2, das in den Zyklus gelangt, zwei 3-PGA gebildet werden, so dass in diesem Schritt zwei ATP pro gebundenem CO
   2 verbraucht werden)
3. Das Enzym Glyceraldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase katalysiert die Reduktion von 1,3BPGA durch NADPH (das ein weiteres Produkt der lichtabhängigen Phase ist). Es entsteht Glyceraldehyd-3-Phosphat (auch G3P, GP, TP, PGAL, GAP genannt), und das NADPH selbst wird oxidiert und zu NADP+. Auch hier werden pro gebundenem CO
   2 zwei NADPH verbraucht.

Regenerationsstufe des Calvin-Zyklus

Die nächste Stufe des Calvin-Zyklus ist die Regeneration von RuBP. Aus fünf G3P-Molekülen entstehen drei RuBP-Moleküle, wobei drei Moleküle ATP verbraucht werden. Da jedes CO
2-Molekül zwei G3P-Moleküle erzeugt, erzeugen drei CO
2-Moleküle sechs G3P-Moleküle, von denen fünf zur Regeneration von RuBP verwendet werden, so dass ein Nettogewinn von einem G3P-Molekül pro drei CO
2-Moleküle verbleibt (wie aufgrund der Anzahl der beteiligten Kohlenstoffatome zu erwarten wäre).

Vereinfachter C3-Zyklus mit Strukturformeln

Die Regenerationsphase kann in mehrere Schritte unterteilt werden.

1. Triosephosphat-Isomerase wandelt das gesamte G3P reversibel in Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) um, ebenfalls ein 3-Kohlenstoff-Molekül.
2. Aldolase und Fructose-1,6-bisphosphatase wandeln ein G3P und ein DHAP in Fructose-6-phosphat (6C) um. Ein Phosphat-Ion geht in die Lösung verloren.
3. Durch die Fixierung eines weiteren CO
   2 entstehen zwei weitere G3P.
4. F6P werden zwei Kohlenstoffe durch Transketolase entfernt, wodurch Erythrose-4-Phosphat (E4P) entsteht. Die beiden Kohlenstoffe der Transketolase werden an ein G3P angehängt, wodurch die Ketose Xylulose-5-Phosphat (Xu5P) entsteht.
5. E4P und ein DHAP (gebildet aus einem der G3P aus der zweiten CO
   2-Fixierung) werden durch das Enzym Aldolase in Sedoheptulose-1,7-bisphosphat (7C) umgewandelt.
6. Sedoheptulose-1,7-bisphosphatase (eines von nur drei Enzymen des Calvin-Zyklus, die es nur in Pflanzen gibt) spaltet Sedoheptulose-1,7-bisphosphat in Sedoheptulose-7-phosphat und setzt dabei ein anorganisches Phosphat-Ion in Lösung frei.
7. Die Fixierung eines dritten CO
   2 erzeugt zwei weitere G3P. Von der Ketose S7P werden durch die Transketolase zwei Kohlenstoffe entfernt, wodurch Ribose-5-Phosphat (R5P) entsteht, und die beiden an der Transketolase verbleibenden Kohlenstoffe werden auf eines der G3P übertragen, wodurch ein weiteres Xu5P entsteht. So bleibt ein G3P als Produkt der Fixierung von 3 CO
   2 übrig, wobei drei Pentosen entstehen, die in Ru5P umgewandelt werden können.
8. R5P wird durch Phosphopentose-Isomerase in Ribulose-5-phosphat (Ru5P, RuP) umgewandelt. Xu5P wird durch Phosphopentose-Epimerase in RuP umgewandelt.
9. Schließlich phosphoryliert Phosphoribulokinase (ein weiteres pflanzeneigenes Enzym des Weges) RuP in RuBP, Ribulose-1,5-bisphosphat, und schließt damit den Calvin-Zyklus ab. Hierfür ist ein ATP erforderlich.

So werden von sechs produzierten G3P fünf zur Herstellung von drei RuBP (5C)-Molekülen (insgesamt 15 Kohlenstoffe) verwendet, wobei nur ein G3P für die anschließende Umwandlung in Hexose zur Verfügung steht. Dazu werden neun ATP-Moleküle und sechs NADPH-Moleküle pro drei CO
2-Moleküle benötigt. Die Gleichung des gesamten Calvin-Zyklus ist unten schematisch dargestellt.

Die Gesamtgleichung des Calvin-Zyklus (schwarze Kreise stehen für Kohlenstoffatome)

RuBisCO reagiert bei der Photorespiration auch konkurrierend mit O
2 anstelle von CO
2. Die Geschwindigkeit der Photorespiration ist bei hohen Temperaturen höher. Bei der Photorespiration wird RuBP in 3-PGA und 2-Phosphoglykolat umgewandelt, ein 2-Kohlenstoff-Molekül, das über Glykolat und Glyoxalat in Glycin umgewandelt werden kann. Über das Glycinspaltungssystem und Tetrahydrofolat werden zwei Glycine in Serin +CO
2 umgewandelt, das wieder in 3-Phosphoglycerat umgewandelt werden kann. Somit können nur 3 von 4 Kohlenstoffen aus zwei Phosphoglykolaten wieder in 3-PGA umgewandelt werden. Wie man sieht, hat die Photorespiration sehr negative Folgen für die Pflanze, denn anstatt CO
2 zu binden, führt dieser Prozess zum Verlust von CO
2. Die C4-Kohlenstofffixierung hat sich entwickelt, um die Photorespiration zu umgehen, kann aber nur in bestimmten Pflanzen vorkommen, die in sehr warmen oder tropischen Klimazonen beheimatet sind – zum Beispiel in Mais.

ProdukteBearbeiten

Die unmittelbaren Produkte einer Runde des Calvin-Zyklus sind 2 Moleküle Glyceraldehyd-3-phosphat (G3P), 3 ADP und 2 NADP+. (ADP und NADP+ sind nicht wirklich „Produkte“. Sie werden regeneriert und später in den lichtabhängigen Reaktionen wieder verwendet). Jedes G3P-Molekül besteht aus 3 Kohlenstoffen. Damit der Calvin-Zyklus fortgesetzt werden kann, muss RuBP (Ribulose-1,5-bisphosphat) regeneriert werden. Zu diesem Zweck werden also 5 von 6 Kohlenstoffen der 2 G3P-Moleküle verwendet. Es wird also nur 1 Nettokohlenstoff pro Spielzug produziert. Um 1 überschüssiges G3P zu erzeugen, werden 3 Kohlenstoffe und somit 3 Umdrehungen des Calvin-Zyklus benötigt. Für die Herstellung eines Glukosemoleküls (das aus 2 G3P-Molekülen gebildet werden kann) wären 6 Umdrehungen des Calvin-Zyklus erforderlich. Überschüssiges G3P kann auch verwendet werden, um andere Kohlenhydrate wie Stärke, Saccharose und Zellulose zu bilden, je nachdem, was die Pflanze benötigt.