Ciclo di Calvin
Il ciclo di Calvin, ciclo di Calvin-Benson-Bassham (CBB), ciclo del pentoso fosfato riduttivo (ciclo RPP) o ciclo C3 è una serie di reazioni biochimiche redox che hanno luogo nello stroma del cloroplasto negli organismi fotosintetici.
Il ciclo fu scoperto nel 1950 da Melvin Calvin, James Bassham e Andrew Benson all’Università della California, Berkeley, utilizzando l’isotopo radioattivo carbonio-14.
La fotosintesi avviene in due fasi in una cellula. Nel primo stadio, le reazioni luce-dipendenti catturano l’energia della luce e la usano per produrre le molecole di stoccaggio e trasporto dell’energia ATP e NADPH. Il ciclo di Calvin usa l’energia dei trasportatori elettronicamente eccitati di breve durata per convertire l’anidride carbonica e l’acqua in composti organici che possono essere usati dall’organismo (e dagli animali che se ne nutrono). Questo insieme di reazioni è chiamato anche fissazione del carbonio. L’enzima chiave del ciclo è chiamato RuBisCO. Nelle seguenti equazioni biochimiche, le specie chimiche (fosfati e acidi carbossilici) esistono in equilibrio tra i loro vari stati ionizzati come regolato dal pH.
Gli enzimi del ciclo di Calvin sono funzionalmente equivalenti alla maggior parte degli enzimi usati in altre vie metaboliche come la gluconeogenesi e la via dei fosfati pentosi, ma si trovano nello stroma del cloroplasto invece che nel citosol cellulare, separando le reazioni. Sono attivati alla luce (ecco perché il nome “reazione al buio” è fuorviante), e anche dai prodotti della reazione luce-dipendente. Queste funzioni di regolazione impediscono che il ciclo di Calvin venga trasformato in anidride carbonica. L’energia (sotto forma di ATP) sarebbe sprecata per realizzare queste reazioni che non hanno alcuna produttività netta.
La somma delle reazioni nel ciclo di Calvin è la seguente:
3 CO
2 + 6 NADPH + 6 H+ + 9 ATP → gliceraldeide-3-fosfato (G3P) + 6 NADP+ + 9 ADP + 3 H
2O + 8 Pi (Pi = fosfato inorganico)
Gli zuccheri esosi (a sei carboni) non sono un prodotto del ciclo di Calvin. Anche se molti testi elencano un prodotto della fotosintesi come C
6H
12O
6, questa è principalmente una comodità per contrastare l’equazione della respirazione, dove gli zuccheri a sei carboidrati sono ossidati nei mitocondri. I prodotti carboidrati del ciclo di Calvin sono molecole di zucchero fosfato a tre carboni, o “fosfati di triosio”, cioè gliceraldeide-3-fosfato (G3P).
PassiModifica
Nel primo stadio del ciclo di Calvin, una molecola di CO
2 viene incorporata in una delle due molecole a tre carboni (gliceraldeide-3-fosfato o G3P), dove utilizza due molecole di ATP e due molecole di NADPH, che erano state prodotte nello stadio dipendente dalla luce. Le tre fasi coinvolte sono:
- L’enzima RuBisCO catalizza la carbossilazione del ribulosio-1,5-bisfosfato, RuBP, un composto a 5 carboni, da anidride carbonica (un totale di 6 carboni) in una reazione in due fasi. Il prodotto del primo passo è il complesso enediolo-enzima che può catturare CO
2 o O
2. Così, il complesso enediolo-enzima è la vera carbossilasi/ossigenasi. Il CO
2 che viene catturato dall’enediolo nella seconda fase produce un composto instabile a sei carboni chiamato 2-carbossi 3-cheto 1,5-bifosforibotolo (CKABP) (o 3-cheto-2-carbossiarabinitolo 1,5-bisfosfato) che si divide immediatamente in 2 molecole di 3-fosfoglicerato (scritto anche come acido 3-fosfoglicerico, PGA, 3PGA, o 3-PGA), un composto a 3 carboni. - L’enzima fosfoglicerato chinasi catalizza la fosforilazione del 3-PGA da parte dell’ATP (prodotto nella fase luce-dipendente). L’1,3-Bisfosfoglicerato (1,3BPGA, glicerato-1,3-bisfosfato) e l’ADP sono i prodotti. (Tuttavia, si noti che due 3-PGA sono prodotti per ogni CO
2 che entra nel ciclo, quindi questo passo utilizza due ATP per ogni CO
2 fissato.) - L’enzima gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi catalizza la riduzione di 1,3BPGA da parte del NADPH (che è un altro prodotto dello stadio dipendente dalla luce). La gliceraldeide 3-fosfato (chiamata anche G3P, GP, TP, PGAL, GAP) è prodotta, e il NADPH stesso è ossidato e diventa NADP+. Di nuovo, due NADPH sono utilizzati per ogni CO
2 fissato.
Lo stadio successivo del ciclo di Calvin è la rigenerazione del RuBP. Cinque molecole di G3P producono tre molecole di RuBP, utilizzando tre molecole di ATP. Poiché ogni molecola di CO
2 produce due molecole di G3P, tre molecole di CO
2 producono sei molecole di G3P, di cui cinque sono usate per rigenerare RuBP, lasciando un guadagno netto di una molecola di G3P per tre molecole di CO
2 (come ci si aspetterebbe dal numero di atomi di carbonio coinvolti).
La fase di rigenerazione può essere suddivisa in passi.
- La triosiofosfato isomerasi converte tutto il G3P reversibilmente in diidrossiacetone fosfato (DHAP), anch’esso una molecola a 3 carboni.
- L’aldolasi e la fruttosio-1,6-bisfosfatasi convertono un G3P e un DHAP in fruttosio 6-fosfato (6C). Uno ione fosfato è perso in soluzione.
- Poi la fissazione di un altro CO
2 genera altri due G3P. - F6P ha due carboni rimossi dalla transketolasi, dando eritrosio-4-fosfato (E4P). I due carboni della transketolasi sono aggiunti a un G3P, dando il chetoso xilulosio-5-fosfato (Xu5P).
- E4P e un DHAP (formato da uno dei G3P della seconda fissazione di CO
2) sono convertiti in sedoeptulosio-1,7-bisfosfato (7C) dall’enzima aldolasi. - La sedoeptulosio-1,7-bisfosfatasi (uno dei soli tre enzimi del ciclo di Calvin che sono unici nelle piante) scinde il sedoeptulosio-1,7-bisfosfato in sedoeptulosio-7-fosfato, rilasciando uno ione fosfato inorganico in soluzione.
- La fissazione di un terzo CO
2 genera altri due G3P. Il chetoso S7P ha due carboni rimossi dalla transketolasi, dando ribosio-5-fosfato (R5P), e i due carboni rimasti alla transketolasi sono trasferiti a uno dei G3P, dando un altro Xu5P. Questo lascia un G3P come prodotto della fissazione di 3 CO
2, con generazione di tre pentosi che possono essere convertiti in Ru5P. - R5P è convertito in ribulosio-5-fosfato (Ru5P, RuP) dalla fosfopentoso isomerasi. Xu5P è convertito in RuP dalla fosfopentoso epimerasi.
- Finalmente, la fosforibulokinasi (un altro enzima vegetale della via) fosforila RuP in RuBP, ribulosio-1,5-bisfosfato, completando il ciclo di Calvin. Questo richiede l’input di un ATP.
Quindi, dei sei G3P prodotti, cinque sono usati per fare tre molecole di RuBP (5C) (per un totale di 15 carboni), con un solo G3P disponibile per la successiva conversione in esoso. Questo richiede nove molecole di ATP e sei molecole di NADPH per tre molecole di CO
2. L’equazione dell’intero ciclo di Calvin è mostrata diagrammaticamente qui sotto.
RuBisCO reagisce anche in modo competitivo con O
2 invece di CO
2 nella fotorespirazione. Il tasso di fotorespirazione è più alto alle alte temperature. La fotorespirazione trasforma il RuBP in 3-PGA e 2-fosfoglicolato, una molecola a 2 carboni che può essere convertita in glicolato e gliossalato in glicina. Attraverso il sistema di scissione della glicina e il tetraidrofolato, due glicine sono convertite in serina +CO
2. La serina può essere riconvertita in 3-fosfoglicerato. Così, solo 3 dei 4 carboni di due fosfoglicerati possono essere riconvertiti in 3-PGA. Si può vedere che la fotorespirazione ha conseguenze molto negative per la pianta, perché, piuttosto che fissare CO
2, questo processo porta alla perdita di CO
2. La fissazione del carbonio C4 si è evoluta per aggirare la fotorespirazione, ma può avvenire solo in alcune piante originarie di climi molto caldi o tropicali – il mais, per esempio.
ProdottiModifica
I prodotti immediati di un giro del ciclo di Calvin sono 2 molecole di gliceraldeide-3-fosfato (G3P), 3 ADP e 2 NADP+. (ADP e NADP+ non sono realmente “prodotti”. Sono rigenerati e poi usati di nuovo nelle reazioni luce-dipendenti). Ogni molecola di G3P è composta da 3 carboni. Affinché il ciclo di Calvin continui, il RuBP (ribulosio 1,5-bisfosfato) deve essere rigenerato. Quindi, 5 dei 6 carboni delle 2 molecole di G3P sono utilizzati per questo scopo. Pertanto, c’è solo 1 carbonio netto prodotto con cui giocare per ogni turno. Creare 1 G3P in eccesso richiede 3 carboni, e quindi 3 giri del ciclo di Calvin. Per fare una molecola di glucosio (che può essere creato da 2 molecole di G3P) richiederebbe 6 giri del ciclo di Calvin. Il G3P in eccesso può anche essere usato per formare altri carboidrati come l’amido, il saccarosio e la cellulosa, a seconda delle necessità della pianta.