A Calvin-ciklus és a szénmegkötés áttekintése

A Calvin-ciklus, Calvin-Benson-Bassham (CBB) ciklus, reduktív pentózfoszfát-ciklus (RPP-ciklus) vagy C3-ciklus a fotoszintetikus szervezetek kloroplasztiszának strómájában lejátszódó biokémiai redoxireakciók sorozata.

A ciklust 1950-ben fedezte fel Melvin Calvin, James Bassham és Andrew Benson a Berkeley-i Kaliforniai Egyetemen a szén-14 radioaktív izotóp felhasználásával.

A fotoszintézis két szakaszban zajlik a sejtben. Az első szakaszban a fényfüggő reakciók rögzítik a fény energiáját, és azt az energiatároló és transzport molekulák, az ATP és a NADPH előállítására használják fel. A Calvin-ciklus a rövid élettartamú, elektronikusan gerjesztett hordozók energiáját arra használja fel, hogy a szén-dioxidot és a vizet a szervezet (és a vele táplálkozó állatok) által felhasználható szerves vegyületekké alakítsa. Ezt a reakciócsoportot szénmegkötésnek is nevezik. A ciklus kulcsfontosságú enzimét RuBisCO-nak hívják. Az alábbi biokémiai egyenletekben a kémiai fajok (foszfátok és karbonsavak) a pH által szabályozott különböző ionizált állapotok között egyensúlyban léteznek.

A Calvin-ciklus enzimei funkcionálisan egyenértékűek a többi anyagcsereútban, például a glükoneogenezisben és a pentóz-foszfát útban használt legtöbb enzimmel, de a sejt citoszolja helyett a kloroplasztisz strómájában találhatók, elválasztva a reakciókat. Fényben aktiválódnak (ezért félrevezető a “sötét reakció” elnevezés), és a fényfüggő reakció termékei is aktiválják őket. Ezek a szabályozó funkciók megakadályozzák, hogy a Calvin-ciklus szén-dioxiddal lélegezzen. Energia (ATP formájában) veszne kárba ezeknek a nettó termelékenységgel nem rendelkező reakcióknak az elvégzésére.

A Calvin-ciklus reakcióinak összege a következő:

3 CO
2 + 6 NADPH + 6 H+ + 9 ATP → gliceraldehid-3-foszfát (G3P) + 6 NADP+ + 9 ADP + 3 H
2O + 8 Pi (Pi = szervetlen foszfát)

A hexóz (hat szénatomos) cukor nem a Calvin-ciklus terméke. Bár sok szövegben a fotoszintézis termékeként C
6H
12O
6 szerepel, ez elsősorban a légzés egyenletének ellensúlyozására szolgál, ahol a hat szénatomos cukrokat a mitokondriumokban oxidálják. A Calvin-ciklus szénhidráttermékei három szénatomos cukor-foszfátmolekulák, vagy “trióz-foszfátok”, nevezetesen a gliceraldehid-3-foszfát (G3P).

LépésekSzerkesztés

A Calvin-ciklus első szakaszában egy CO
2 molekula beépül a két három szénatomos molekula egyikébe (gliceraldehid-3-foszfát vagy G3P), ahol felhasznál két molekula ATP-t és két molekula NADPH-t, amelyek a fényfüggő szakaszban keletkeztek. A három lépés a következő:

Calvin-ciklus 1. lépés (a fekete körök szénatomokat jelölnek)

Calvin-ciklus 2. és 3. lépés együtt

1. A RuBisCO enzim a ribulóz-1 karboxilezését katalizálja,5-biszfoszfát, RuBP, egy 5 szénatomos vegyület, szén-dioxiddal (összesen 6 szénatom) egy kétlépéses reakcióban. Az első lépés terméke az enediol-enzimkomplex, amely képes CO
   2 vagy O
   2 megkötésére. Így az enediol-enzimkomplex a valódi karboxiláz/oxigenáz. Az enediol által a második lépésben befogott CO
   2 egy instabil hat szénatomos vegyületet, a 2-karboxi-3-keto-1,5-bifoszforibotolt (CKABP) (vagy 3-keto-2-karboxiarabinitol-1,5-biszfoszfátot) eredményezi, amely azonnal 2 molekula 3-foszfoglükerátra (más írásmóddal 3-foszfoglükerinsav, PGA, 3PGA vagy 3-PGA), egy 3 szénatomos vegyületre hasad.
2. A foszfoglicerát-kináz enzim katalizálja a 3-PGA foszforilálását ATP-vel (amely a fényfüggő szakaszban keletkezett). Az 1,3-biszfoszfogloglicerát (1,3BPGA, glicerin-1,3-biszfoszfát) és az ADP a termékek. (Megjegyzendő azonban, hogy a ciklusba belépő minden egyes CO
   2-hez két 3-PGA keletkezik, így ez a lépés minden egyes rögzített CO
   2-hez két ATP-t használ fel.)
3. A gliceraldehid-3-foszfát-dehidrogenáz enzim katalizálja az 1,3BPGA redukcióját NADPH-val (amely a fényfüggő szakasz másik terméke). Gliceraldehid-3-foszfát (más néven G3P, GP, TP, PGAL, GAP) keletkezik, maga a NADPH pedig oxidálódik, és NADP+-vá alakul. Ismét két NADPH hasznosul egy rögzített CO
   2-re.

A Calvin-ciklus regenerációs szakasza

A Calvin-ciklus következő szakasza a RuBP regenerálása. Öt G3P molekulából három RuBP molekula keletkezik, amihez három molekula ATP-t használnak fel. Mivel minden egyes CO
2 molekulából két G3P molekula keletkezik, három CO
2 molekulából hat G3P molekula keletkezik, amelyből ötöt a RuBP regenerálására használunk fel, így három CO
2 molekulára egy G3P molekula nettó nyereség jut (ahogy az a résztvevő szénatomok száma alapján várható lenne).

Egyszerűsített C3-ciklus szerkezeti képletekkel

A regenerációs szakasz lépésekre bontható.

1. A trióz-foszfát izomeráz az összes G3P-t reverzibilisen átalakítja dihidroxi-aceton-foszfáttá (DHAP), ami szintén egy 3 szénatomos molekula.
2. Az aldoláz és a fruktóz-1,6-biszfoszfatáz egy G3P-t és egy DHAP-ot fruktóz-6-foszfáttá (6C) alakít. Egy foszfátion az oldatba távozik.
3. Ezután egy másik CO
   2 megkötése további két G3P-t hoz létre.
4. Az F6P két szénatomját a transzketoláz eltávolítja, így erythrose-4-foszfát (E4P) keletkezik. A transzketoláz két szénatomja hozzáadódik egy G3P-hez, így keletkezik a ketóz xilulóz-5-foszfát (Xu5P).
5. E4P és egy DHAP (amely a második CO
   2-fixálásból származó egyik G3P-ből keletkezett) az aldoláz enzim által szedoheptulóz-1,7-biszfoszfáttá (7C) alakul.
6. A szedoheptulóz-1,7-biszfoszfatáz (a Calvin-ciklus mindössze három, csak növényekben előforduló enzimének egyike) a szedoheptulóz-1,7-biszfoszfátot szedoheptulóz-7-foszfáttá hasítja, szervetlen foszfátiont bocsátva az oldatba.
7. A harmadik CO
   2-fixálással további két G3P keletkezik. A ketóz S7P-ből a transzketoláz két szénatomot eltávolít, így ribóz-5-foszfát (R5P) keletkezik, és a transzketolázon maradó két szénatom átkerül az egyik G3P-re, így egy újabb Xu5P keletkezik. Így egy G3P marad a 3 CO
   2 megkötésének termékeként, három pentóz keletkezésével, amelyek Ru5P-vé alakíthatók.
8. Az R5P-t a foszfopentóz izomeráz alakítja ribulóz-5-foszfáttá (Ru5P, RuP). A Xu5P-t a foszfopentóz epimeráz alakítja RuP-vé.
9. Végül a foszforibulokináz (az útvonal egy másik, csak a növényekre jellemző enzimje) foszforilálja a RuP-t RuBP-vé, ribulóz-1,5-biszfoszfáttá, ezzel befejeződik a Calvin-ciklus. Ehhez egy ATP szükséges.

Az előállított hat G3P-ből tehát ötöt három RuBP (5C) molekula (összesen 15 szénatom) előállítására használnak fel, és csak egy G3P áll rendelkezésre a későbbi hexózzá történő átalakításhoz. Ehhez három CO
2 molekulára kilenc ATP-molekula és hat NADPH-molekula szükséges. A teljes Calvin-ciklus egyenlete az alábbiakban diagrammatikusan látható.

A Calvin-ciklus teljes egyenlete (a fekete körök szénatomokat jelölnek)

A ruBisCO a fotorespirációban CO
2 helyett O
2-vel is kompetitívan reagál. A fotorespiráció sebessége magasabb hőmérsékleten nagyobb. A fotorespiráció a RuBP-t 3-PGA-vá és 2-foszfoglikoláttá alakítja, egy 2 szénatomos molekulává, amely a glikoláton és a glioxaláton keresztül glicinné alakítható. A glicinhasító rendszeren és a tetrahidrofoláton keresztül két glicin szerin +CO
2 -re alakul át. A szerin visszaalakulhat 3-foszfogliceráttá. Így a két foszfoglikolátból származó 4 szénatomból csak 3 alakítható vissza 3-PGA-vá. Látható, hogy a fotorespiráció nagyon negatív következményekkel jár a növény számára, mert ahelyett, hogy CO
2-t kötne meg, ez a folyamat CO
2 veszteséghez vezet. A C4 szénmegkötés a fotorespiráció megkerülésére fejlődött ki, de csak bizonyos, nagyon meleg vagy trópusi éghajlaton honos növényekben – például a kukoricában – fordulhat elő.

TermékekSzerkesztés

A Calvin-ciklus egy fordulatának közvetlen termékei 2 gliceraldehid-3-foszfát (G3P) molekula, 3 ADP és 2 NADP+. (Az ADP és a NADP+ valójában nem “termékek”. Ezek regenerálódnak, és később újra felhasználásra kerülnek a fényfüggő reakciókban). Minden egyes G3P molekula 3 szénatomból áll. A Calvin-ciklus folytatásához a RuBP-t (ribulóz-1,5-biszfoszfát) regenerálni kell. Tehát a 2 G3P-molekula 6 szénatomjából 5 kerül felhasználásra erre a célra. Ezért minden fordulóban csak 1 nettó szén keletkezik, amivel játszhatunk. Ahhoz, hogy 1 felesleges G3P keletkezzen, 3 szénhidrogénre van szükség, és ezért a Calvin-ciklus 3 fordulójára. Egy glükózmolekula előállításához (amely 2 G3P-molekulából hozható létre) a Calvin-ciklus 6 fordulójára lenne szükség. A felesleges G3P-t más szénhidrátok, például keményítő, szacharóz és cellulóz előállítására is fel lehet használni, attól függően, hogy mire van szüksége a növénynek.