Oversigt over Calvincyklus og kulstoffiksering

Calvincyklus, Calvin-Benson-Bassham (CBB)-cyklus, reduktiv pentosephosphatcyklus (RPP-cyklus) eller C3-cyklus er en række biokemiske redoxreaktioner, der finder sted i stromaet i kloroplasten i fotosyntetiske organismer.

Cyklussen blev opdaget i 1950 af Melvin Calvin, James Bassham og Andrew Benson ved University of California, Berkeley ved hjælp af den radioaktive isotop kulstof-14.

Fotosyntesen foregår i to faser i en celle. I første fase fanger lysafhængige reaktioner lysets energi og bruger den til at fremstille energilagrings- og transportmolekylerne ATP og NADPH. Calvin-cyklusen bruger energien fra kortlivede elektronisk exciterede bærere til at omdanne kuldioxid og vand til organiske forbindelser, der kan bruges af organismen (og af dyr, der lever af den). Dette sæt af reaktioner kaldes også kulstoffiksering. Cyklussens nøgleenzym hedder RuBisCO. I de følgende biokemiske ligninger eksisterer de kemiske arter (fosfater og carboxylsyrer) i ligevægt mellem deres forskellige ioniserede tilstande som styret af pH-værdien.

Enzymerne i Calvin-cyklusen svarer funktionelt til de fleste enzymer, der anvendes i andre metaboliske veje, såsom glukoneogenese og pentosephosphatvejen, men de findes i chloroplaststromaet i stedet for i cellecytosolen, hvilket adskiller reaktionerne. De aktiveres i lys (hvorfor navnet “mørkereaktion” er misvisende) og også af produkter fra den lysafhængige reaktion. Disse regulerende funktioner forhindrer, at Calvin-cyklusen bliver respireret til kuldioxid. Energi (i form af ATP) ville være spildt ved at udføre disse reaktioner, som ikke har nogen nettoproduktivitet.

Summen af reaktionerne i Calvin-cyklus er følgende:

3 CO
2 + 6 NADPH + 6 H+ + 9 ATP → glyceraldehyd-3-fosfat (G3P) + 6 NADP+ + 9 ADP + 3 H
2O + 8 Pi (Pi = uorganisk fosfat)

Hexose (seks-kulstof) sukkerstoffer er ikke et produkt af Calvin-cyklusen. Selv om mange tekster anfører et produkt af fotosyntesen som C
6H
12O
6, er dette hovedsagelig en bekvemmelighed for at imødegå ligningen for respiration, hvor sekskarbonede sukkerstoffer oxideres i mitokondrier. Kulhydratprodukterne fra Calvin-cyklussen er trekulstofs sukkerfosfatmolekyler eller “triosefosfater”, nemlig glyceraldehyd-3-fosfat (G3P).

TrinRediger

I Calvin-cyklussens første trin inkorporeres et CO
2-molekyle i et af to trekulstofmolekyler (glyceraldehyd-3-fosfat eller G3P), hvor det opbruger to molekyler ATP og to molekyler NADPH, som var blevet produceret i det lysafhængige trin. De tre trin, der er involveret, er:

Calvincyklus trin 1 (sorte cirkler repræsenterer kulstofatomer)

Calvincyklus trin 2 og 3 kombineret

1. Enzymet RuBisCO katalyserer carboxyleringen af ribulose-1,5-bisphosphat, RuBP, en 5-kulstofforbindelse, med kuldioxid (i alt 6 kulstoffer) i en totrinsreaktion. Produktet fra det første trin er et enediol-enzymkompleks, der kan fange CO
   2 eller O
   2. Enediol-enzymkomplekset er således den egentlige carboxylase/oxygenase. CO
   2, der indfanges af enediol i andet trin, producerer en ustabil 6-kulstofforbindelse kaldet 2-carboxy 3-keto 1,5-biphosphoribotol (CKABP) (eller 3-keto-2-carboxyarabinitol 1,5-bisphosphat), der straks spaltes til 2 molekyler af 3-fosfoglycerat (også skrevet som 3-fosfoglycerinsyre, PGA, 3PGA eller 3-PGA), en 3-kulstofforbindelse.
2. Enzymet fosfoglyceratkinase katalyserer fosforyleringen af 3-PGA ved hjælp af ATP (som blev produceret i det lysafhængige stadium). 1,3-bisfosfoglycerat (1,3BPGA, glycerat-1,3-bisfosfat) og ADP er produkterne. (Bemærk dog, at der produceres to 3-PGA’er for hvert CO
   2, der kommer ind i cyklussen, så dette trin udnytter to ATP pr. fastgjort CO
   2.)
3. Enzymet glyceraldehyd-3-fosfatdehydrogenase katalyserer reduktionen af 1,3BPGA med NADPH (som er et andet produkt fra det lysafhængige stadium). Der dannes glyceraldehyd-3-fosfat (også kaldet G3P, GP, TP, PGAL, GAP), og NADPH oxideres selv og bliver til NADP+. Igen udnyttes to NADPH pr. fastgjort CO
   2.

Calvin-cyklussens regenereringsstadie

Det næste stadie i Calvin-cyklussen er at regenerere RuBP. Fem G3P-molekyler producerer tre RuBP-molekyler, hvorved der bruges tre molekyler ATP. Da hvert CO
2-molekyle producerer to G3P-molekyler, producerer tre CO
2-molekyler seks G3P-molekyler, hvoraf de fem bruges til at regenerere RuBP, hvilket giver en nettogevinst på et G3P-molekyle pr. tre CO
2-molekyler (som det ville være forventeligt ud fra antallet af involverede kulstofatomer).

Forenklet C3-cyklus med strukturformler

Regenerationsfasen kan opdeles i trin.

1. Triosephosphatisomerase omdanner alt G3P reversibelt til dihydroxyacetonephosphat (DHAP), der også er et 3-kulstofmolekyle.
2. Aldolase og fructose-1,6-bisphosphatase omdanner et G3P og et DHAP til fructose-6-fosfat (6C). En fosfation går tabt i opløsningen.
3. Derpå dannes der ved fiksering af endnu en CO
   2 yderligere to G3P.
4. F6P får fjernet to kulstofatomer af transketolase, hvilket giver erythrose-4-fosfat (E4P). De to kulbrinter på transketolase tilføjes til en G3P, hvilket giver ketosen xylulose-5-fosfat (Xu5P).
5. E4P og en DHAP (dannet af en af G3P’erne fra den anden CO
   2-fiksering) omdannes til sedoheptulose-1,7-bisfosfat (7C) af aldolaseenzym.
6. Sedoheptulose-1,7-bisfosfatase (et af kun tre enzymer i Calvin-cyklusen, der er unikke for planter) spalter sedoheptulose-1,7-bisfosfat til sedoheptulose-7-fosfat, hvorved der frigives en uorganisk fosfat-ion til opløsningen.
7. Fiksering af en tredje CO
   2 genererer yderligere to G3P. Ketosen S7P får fjernet to kulstofatomer af transketolase, hvilket giver ribose-5-fosfat (R5P), og de to resterende kulstofatomer på transketolase overføres til et af G3P’erne, hvilket giver endnu et Xu5P. Dette efterlader ét G3P som produkt af fiksering af 3 CO
   2, med dannelse af tre pentoser, der kan omdannes til Ru5P.
8. R5P omdannes til ribulose-5-fosfat (Ru5P, RuP) af fosfopentoseisomerase. Xu5P omdannes til RuP af phosphopentoseepimerase.
9. Slutteligt fosforibulokinase (et andet planteunikt enzym i vejen) fosforylerer RuP til RuBP, ribulose-1,5-bisfosfat, hvorved Calvin-cyklusen afsluttes. Dette kræver input af én ATP.

Dermed bruges fem af de seks producerede G3P til at fremstille tre RuBP (5C)-molekyler (i alt 15 kulbrinter), og der er kun én G3P til rådighed til den efterfølgende omdannelse til hexose. Dette kræver ni ATP-molekyler og seks NADPH-molekyler pr. tre CO
2-molekyler. Ligningen for den samlede Calvincyklus er vist diagrammatisk nedenfor.

Den samlede ligning for Calvincyklus (sorte cirkler repræsenterer kulstofatomer)

RuBisCO reagerer også kompetitivt med O
2 i stedet for CO
2 i fotorespiration. Fotorespirationshastigheden er højere ved høje temperaturer. Fotorespiration omdanner RuBP til 3-PGA og 2-fosfoglycolat, et 2-kulstofmolekyle, der via glycolat og glyoxalat kan omdannes til glycin. Via glycin-spaltningssystemet og tetrahydrofolat omdannes to glyciner til serin +CO
2. Serin kan omdannes tilbage til 3-fosfoglycerat. Dermed kan kun 3 ud af 4 kulstofatomer fra to fosfoglycolater omdannes tilbage til 3-PGA. Det kan ses, at fotorespiration har meget negative konsekvenser for planten, fordi denne proces i stedet for at binde CO
2 fører til tab af CO
2. C4-kulstoffiksering har udviklet sig for at omgå fotorespiration, men kan kun forekomme hos visse planter, der er hjemmehørende i meget varme eller tropiske klimaer – f.eks. majs.

ProdukterRediger

De umiddelbare produkter af en omgang af Calvin-cyklusen er 2 glyceraldehyd-3-fosfat (G3P)-molekyler, 3 ADP og 2 NADP+. (ADP og NADP+ er egentlig ikke “produkter”. De regenereres og bruges senere igen i de lysafhængige reaktioner). Hvert G3P-molekyle består af 3 kulstofatomer. For at Calvin-cyklusen kan fortsætte, skal RuBP (ribulose 1,5-bisfosfat) regenereres. Der bruges altså 5 ud af 6 kulbrinter fra de 2 G3P-molekyler til dette formål. Derfor er der kun 1 netto produceret kulstof til at lege med for hver tur. For at skabe 1 overskydende G3P kræves der 3 kulstoffer og dermed 3 omgange i Calvincyklusen. For at lave ét glukosemolekyle (som kan skabes af 2 G3P-molekyler) ville det kræve 6 omgange af Calvincyklussen. Overskydende G3P kan også bruges til at danne andre kulhydrater som f.eks. stivelse, saccharose og cellulose, alt efter hvad planten har brug for.