Calvinův cyklus
Calvinův cyklus, Calvinův-Bensonův-Basshamův cyklus (CBB), reduktivní pentózofosfátový cyklus (RPP cyklus) nebo C3 cyklus je řada biochemických redoxních reakcí, které probíhají ve stromatu chloroplastu u fotosyntetických organismů.
Cyklus objevili v roce 1950 Melvin Calvin, James Bassham a Andrew Benson na Kalifornské univerzitě v Berkeley pomocí radioaktivního izotopu uhlíku-14.
Fotosyntéza probíhá v buňce ve dvou fázích. V první fázi zachycují reakce závislé na světle světelnou energii a využívají ji k výrobě molekul pro ukládání a přenos energie ATP a NADPH. Calvinův cyklus využívá energii z krátce žijících elektronicky excitovaných nosičů k přeměně oxidu uhličitého a vody na organické sloučeniny, které může organismus (a živočichové, kteří se jimi živí) využít. Tento soubor reakcí se také nazývá fixace uhlíku. Klíčový enzym cyklu se nazývá RuBisCO. V následujících biochemických rovnicích existují chemické druhy (fosfáty a karboxylové kyseliny) v rovnováze mezi svými různými ionizovanými stavy, které se řídí pH.
Enzymy v Calvinově cyklu jsou funkčně ekvivalentní většině enzymů používaných v jiných metabolických drahách, jako je glukoneogeneze a pentózofosfátová dráha, ale nacházejí se ve stromatu chloroplastu místo v buněčném cytosolu, což odděluje reakce. Jsou aktivovány na světle (proto je název „reakce ve tmě“ zavádějící) a také produkty reakce závislé na světle. Tyto regulační funkce zabraňují tomu, aby v Calvinově cyklu docházelo k dýchání oxidu uhličitého. Při provádění těchto reakcí, které nemají žádnou čistou produktivitu, by se plýtvalo energií (ve formě ATP).
Součet reakcí v Calvinově cyklu je následující:
3 CO
2 + 6 NADPH + 6 H+ + 9 ATP → glyceraldehyd-3-fosfát (G3P) + 6 NADP+ + 9 ADP + 3 H
2O + 8 Pi (Pi = anorganický fosfát)
Hexosové (šestiuhlíkaté) cukry nejsou produktem Calvinova cyklu. Ačkoli se v mnoha textech uvádí jako produkt fotosyntézy C
6H
12O
6, jedná se především o pomůcku proti rovnici dýchání, kde se šestiuhlíkaté cukry oxidují v mitochondriích. Sacharidovými produkty Calvinova cyklu jsou molekuly tříuhlíkatých cukrů fosfátů neboli „triózových fosfátů“, konkrétně glyceraldehyd-3-fosfátu (G3P).
KrokyEdit
V první fázi Calvinova cyklu se molekula CO
2 začlení do jedné ze dvou tříuhlíkatých molekul (glyceraldehyd-3-fosfátu neboli G3P), kde spotřebuje dvě molekuly ATP a dvě molekuly NADPH, které byly vyrobeny ve fázi závislé na světle. Jedná se o tyto tři kroky:
- Enzym RuBisCO katalyzuje karboxylaci ribulózy-1,5-bisfosfátu, RuBP, sloučeniny o 5 uhlících, oxidem uhličitým (celkem 6 uhlíků) ve dvoustupňové reakci. Produktem prvního kroku je enediol-enzymový komplex, který může zachycovat CO
2 nebo O
2. Enediol-enzymový komplex je tedy skutečnou karboxylázou/oxygenázou. CO
2 , který je zachycen enediolem ve druhém kroku, vytváří nestabilní šestiuhlíkatou sloučeninu zvanou 2-karboxy 3-keto 1,5-bifosforibotol (CKABP) (nebo 3-keto-2-karboxyarabinitol 1,5-bisfosfát), která se okamžitě štěpí na 2 molekuly 3-fosfoglycerátu (psáno také jako kyselina 3-fosfoglycerová, PGA, 3PGA nebo 3-PGA), tříuhlíkaté sloučeniny. - Enzym fosfoglycerátkináza katalyzuje fosforylaci 3-PGA pomocí ATP (který vznikl ve fázi závislé na světle). Produktem je 1,3-bisfosfoglycerát (1,3BPGA, glycerát-1,3-bisfosfát) a ADP. (Všimněte si však, že na každý CO
2, který do cyklu vstupuje, vznikají dva 3-PPGA, takže v tomto kroku se na jeden fixovaný CO
2 spotřebují dva ATP.) - Enzym glyceraldehyd-3-fosfát dehydrogenáza katalyzuje redukci 1,3BPGA pomocí NADPH (což je další produkt fáze závislé na světle). Vzniká glyceraldehyd-3-fosfát (nazývaný také G3P, GP, TP, PGAL, GAP) a samotný NADPH se oxiduje a stává se NADP+. Na jeden fixovaný CO
2 jsou opět využity dva NADPH.
Další fází Calvinova cyklu je regenerace RuBP. Z pěti molekul G3P vznikají tři molekuly RuBP, přičemž se spotřebují tři molekuly ATP. Protože každá molekula CO
2 produkuje dvě molekuly G3P, tři molekuly CO
2 produkují šest molekul G3P, z nichž pět se použije k regeneraci RuBP, takže na tři molekuly CO
2 připadá čistý zisk jedné molekuly G3P (jak by se dalo očekávat z počtu zúčastněných atomů uhlíku).
Fázi regenerace lze rozdělit na jednotlivé kroky.
- Triosafosfát izomeráza přeměňuje veškerý G3P reverzibilně na dihydroxyacetonfosfát (DHAP), rovněž tříuhlíkatou molekulu.
- Aldoláza a fruktosa-1,6-bisfosfatáza přeměňují G3P a DHAP na fruktosa-6-fosfát (6C). Fosfátový iont se ztrácí do roztoku.
- Poté fixací dalšího CO
2 vznikají další dva G3P. - F6P má transketolasa odstraněny dva uhlíky, čímž vzniká erytros-4-fosfát (E4P). Dva uhlíky na transketolase se přidají ke G3P, čímž vznikne ketosa xylulosa-5-fosfát (Xu5P).
- E4P a DHAP (vzniklý z jednoho z G3P z druhé fixace CO
2) se pomocí enzymu aldolasy přemění na sedoheptulosa-1,7-bisfosfát (7C). - Sedoheptulosa-1,7-bisfosfatáza (jeden z pouhých tří enzymů Calvinova cyklu, které jsou u rostlin jedinečné) štěpí sedoheptulosa-1,7-bisfosfát na sedoheptulosa-7-fosfát, přičemž se do roztoku uvolňuje anorganický fosfátový iont.
- Fixací třetího CO
2 vznikají další dva G3P. Z ketosy S7P se pomocí transketolázy odstraní dva uhlíky, čímž vznikne ribosa-5-fosfát (R5P), a dva uhlíky, které zůstaly na transketoláze, se přenesou na jeden z G3P, čímž vznikne další Xu5P. Tím zůstává jeden G3P jako produkt fixace 3 CO
2 s tvorbou tří pentóz, které mohou být přeměněny na Ru5P. - R5P je přeměněn na ribulosa-5-fosfát (Ru5P, RuP) pomocí fosfopentosy isomerasy. Xu5P je přeměněn na RuP fosfopentosovou epimerasou.
- Nakonec fosforibulokinasa (další rostlinný unikátní enzym dráhy) fosforyluje RuP na RuBP, ribulosa-1,5-bisfosfát, čímž je Calvinův cyklus dokončen. To vyžaduje vstup jednoho ATP.
Z šesti vzniklých G3P se jich pět použije na výrobu tří molekul RuBP (5C) (celkem 15 uhlíků), přičemž pro následnou přeměnu na hexosu je k dispozici pouze jeden G3P. To vyžaduje devět molekul ATP a šest molekul NADPH na tři molekuly CO
2. Rovnice celkového Calvinova cyklu je schematicky znázorněna níže.
RuBisCO také reaguje kompetitivně s O
2 místo s CO
2 při fotorespiraci. Rychlost fotorespirace je vyšší při vysokých teplotách. Fotorespirace mění RuBP na 3-PGA a 2-fosfoglykolát, dvouuhlíkatou molekulu, která může být přeměněna přes glykolát a glyoxalát na glycin. Prostřednictvím systému štěpení glycinu a tetrahydrofolátu se dva glyciny přemění na serin +CO
2. Serin může být přeměněn zpět na 3-fosfoglycerát. Pouze 3 ze 4 uhlíků ze dvou fosfoglycerátů se tedy mohou přeměnit zpět na 3-PGA. Je vidět, že fotorespirace má pro rostlinu velmi negativní důsledky, protože místo fixace CO
2 vede tento proces ke ztrátě CO
2. Fixace uhlíku C4 se vyvinula, aby se obešla fotorespirace, ale může se vyskytovat pouze u některých rostlin, které pocházejí z velmi teplého nebo tropického podnebí – například u kukuřice.
ProduktyUpravit
Bezprostředními produkty jedné otáčky Calvinova cyklu jsou 2 molekuly glyceraldehyd-3-fosfátu (G3P), 3 ADP a 2 NADP+. (ADP a NADP+ nejsou ve skutečnosti „produkty“. Jsou regenerovány a později znovu použity v reakcích závislých na světle). Každá molekula G3P se skládá ze 3 uhlíků. Aby Calvinův cyklus mohl pokračovat, musí se regenerovat RuBP (ribulosa 1,5-bisfosfát). K tomuto účelu se tedy využívá 5 ze 6 uhlíků ze 2 molekul G3P. V každém tahu tedy vzniká pouze 1 čistý uhlík, s nímž lze hrát. K vytvoření 1 přebytečného G3P jsou zapotřebí 3 uhlíky, a tedy 3 otočky Calvinova cyklu. Vytvoření jedné molekuly glukózy (kterou lze vytvořit ze 2 molekul G3P) by vyžadovalo 6 otáček Kalvínova cyklu. Přebytečný G3P lze také použít k tvorbě dalších sacharidů, jako je škrob, sacharóza a celulóza, podle toho, co rostlina potřebuje.