カルビンサイクル
カルビンサイクルの概要と炭素固定
カルビンサイクル、カルビン-ベンソン-バッサム（CBB）サイクル、還元的ペントースリン酸サイクル（RPPサイクル）またはC3サイクルとは光合成生物における葉緑体のストロマで行われる、一連の生化学的酸化還元反応である。
このサイクルは、1950年にカリフォルニア大学バークレー校のメルビン・カルビン、ジェームズ・バッサム、アンドリュー・ベンソンによって、放射性同位元素の炭素14を用いて発見された。
光合成は細胞内で2段階で行われる。 第一段階では、光に依存する反応が光のエネルギーを取り込み、それを使ってエネルギー貯蔵・輸送分子であるATPとNADPHを作る。 カルビンサイクルは、短寿命の電子励起キャリアーのエネルギーを使って、二酸化炭素と水を有機化合物に変換し、生物（およびそれを食べる動物）が利用できるようにするものである。 この一連の反応は、炭素固定化とも呼ばれる。 このサイクルの鍵となる酵素は、RuBisCOと呼ばれる。 以下の生化学的式において、化学種（リン酸塩とカルボン酸）はpHに支配された様々なイオン化状態の間で平衡状態にある。
カルビンサイクルの酵素は、グルコネシン生成やペントースリン酸経路などの他の代謝経路で用いられるほとんどの酵素と機能的に同等だが、細胞のサイトゾルの代わりに葉緑体ストロマに存在するために反応が分離されている。 それらは光で活性化され（そのため「暗黒反応」という名称は誤解を招く）、また光に依存した反応の生成物によっても活性化される。 これらの調節機能により、カルビンサイクルが二酸化炭素に呼吸されるのを防いでいる。 エネルギー（ATPの形で）は、正味の生産性を持たないこれらの反応を遂行するために浪費されることになる。
カルビンサイクルの反応の合計は以下の通り：
3 CO
2 + 6 NADPH + 6 H+ + 9 ATP →グリセルアルデヒド-3-リン酸（G3P） + 6 NADP+ + 9 ADP + 3 H
2O + 8 Pi (Pi = inorganic phosphate)
ヘキソース（6炭素）糖はカルビンサイクルの生産物では無い。 光合成の産物としてC
6H
12O
6と記載しているテキストが多いが、これは主に呼吸の式に対抗するための便法であり、炭素数6の糖はミトコンドリアで酸化されるのである。 カルビンサイクルの炭水化物生成物は炭素数3の糖リン酸分子、すなわち「トリオースリン酸」であり、グリセルアルデヒド-3-リン酸（G3P）である。
StepsEdit
カルビンサイクルの第1段階では、CO
2分子が2つの炭素3分子（グリセルアルデヒド3-リン酸またはG3P）のうちの1つに組み込まれ、光依存性の段階で生成したATP2分子とNADPH2分子が使い果たされる。 その3つのステップを紹介する。
- RuBisCOはリブロースをカルボン化する触媒酵素であり、リブロースを1,5-ビスリン酸（RuBP）は炭素数5の化合物で、二酸化炭素による2段階の反応（合計炭素数6）で構成されています。 第一段階の生成物は、CO
2やO
2を捕捉できるエネジオール-酵素複合体であり、エネジオール-酵素複合体が真のカルボキシラーゼ/オキシゲナーゼである。 第2段階でエネジオールが捕捉したCO
2は、2-carboxy 3-keto 1,5-biphosphoribotol (CKABP) (or 3-keto-2-carboxyarabinitol 1,5-bisphosphate) という不安定な6炭素化合物を生成し、すぐに3炭素化合物の2分子3-リン酸 (3-phosphoglyceric acid、PGA、3PGA、3PGAとも書かれています) に分割されるのです。 - ホスホグリセリン酸キナーゼという酵素は、ATP（光依存性ステージで生成されたもの）によって3-PGAをリン酸化することを触媒している。 1,3-ビスホスホグリセレート（1,3BPGA、グリセリン酸-1,3-ビスリン酸）とADPが生成物である。 (ただし、サイクルに入るCO
2ごとに2つの3-PGAが生成されるので、この段階ではCO
2固定あたり2つのATPが利用される。) - 酵素グリセルアルデヒド3-リン酸デヒドロゲナーゼは、NADPH(これは光依存段階の別の生成物)によって1,3BPGAを還元することを触媒している。 グリセルアルデヒド3-リン酸（G3P, GP, TP, PGAL, GAPとも呼ばれる）が生成され、NADPH自体が酸化されてNADP+となる。 ここでもCO
2固定あたり2つのNADPHが利用される。
カルビンサイクルの再生段階
次のカルビンサイクルはRuBPを再生する段階である。 5個のG3P分子が3個のRuBP分子を生成し、3分子のATPを使い果たす。 各CO
2分子は2つのG3P分子を生成するので、3つのCO
2分子は6つのG3P分子を生成し、そのうち5つがRuBPの再生に使われ、CO
2分子3つにつきG3P分子1つが純増する（関与する炭素原子数から予測される通りである）。
再生段階はステップに分解することが可能である。
- トリオースリン酸イソメラーゼはすべてのG3Pを可逆的に同じく炭素数3のジヒドロキシアセトンリン酸（DHAP）に変換する。
- アルドラーゼとフルクトース-1，6-ビスホスファターゼはG3PとDHAPをフルクトース6-リン酸（6C）に変換する。 このときリン酸イオンが溶液中に失われます。
- 次に別のCO
2が固定されると、さらに2つのG3Pが生成します。 - F6Pはトランスケトラーゼにより2つの炭素が除去されてエリスロース4リン酸（E4P）を生成します。 E4PとDHAP（2回目のCO
2固定によるG3Pの1つから生成）はアルドラーゼ酵素によってセドヘプツロース-1,7-ビスホスフェート（7C）に変換される。 - セドヘプツロース-1,7-ビスホスファターゼ（カルビンサイクルの3つの酵素のうちの1つで、植物に特有の酵素）はセドヘプツロース-1,7-ビスホスフェートをセドヘプツロース-7-リン酸に分解し、無機リン酸イオンを溶液に放出する。
- 3番目のCO2が固定するとさらにG3Pが2つ生成される。 ケトースS7Pはトランスケトラーゼにより2つの炭素が除去されリボース-5-リン酸（R5P）を与え、トランスケトラーゼに残った2つの炭素はG3Pの1つに移動し、もう一つのXu5Pを与える。 R5Pはphosphopentose isomeraseによってribulose-5-phosphate (Ru5P, RuP)に変換され、Ru5Pが生成する。 Xu5PはホスホペントースエピメラーゼによってRuPに変換される。
- 最後にホスホリブロキナーゼ（経路の別の植物固有の酵素）がRuPをリン酸化してRuBP、リブロース1,5-ビスリン酸にし、カルビンサイクルが完成される。 このとき、1つのATPが必要となる。
こうして生成された6つのG3Pのうち、5つは3つのRuBP（5C）分子（合計15炭素）を作るために使われ、1つのG3Pだけがその後のヘキソースへの変換に利用されることになる。 このため、3個のCO
2分子に対して、9個のATP分子と6個のNADPH分子が必要となる。 5500>
カルビンサイクル全体の式（黒丸は炭素原子）
RuBisCO も光呼吸で CO
2 の代わりに O
2 と競合的に反応します。 光呼吸の速度は高温でより高くなる。 光呼吸によりRuBPは3-PGAと2-ホスホグリコール酸になり、グリコール酸、グリオキサン酸を経てグリシンに変換される炭素数2の分子となる。 グリシン開裂系とテトラヒドロ葉酸を経て、2つのグリシンはセリン＋CO
2に変換され、セリンは再び3-ホスホグリセレートに変換されることが可能である。 このように、2つのホスホグリセレートから3-PGAに戻ることができるのは4つの炭素のうち3つだけである。 このように、光呼吸はCO
2を固定するのではなく、CO
2の損失につながるため、植物にとって非常に悪い影響を与えることがわかる。 C4炭素固定は、光呼吸を回避するために進化したが、非常に暖かいまたは熱帯気候に自生する特定の植物-例えばトウモロコシ-でのみ発生することができる。
生産物編集
カルビンサイクルの1ターンの即時生産物は、2グリセルアルデヒド3リン酸（G3P）分子、3 ADP、2 NADP+である。 (ADPとNADP+は実際には “生成物 “ではない。 これらは再生され、後に光依存性反応において再び使用される）。 G3Pは1分子あたり3個の炭素で構成されている。 カルビンサイクルが継続するためには、RuBP（リブロース1,5-ビスリン酸）が再生される必要がある。 つまり、2つのG3P分子から得られる6つの炭素のうち、5つがこの目的に使われる。 従って、各ターンで遊べる炭素は正味1個しか生まれない。 余剰のG3Pを1個作るには炭素が3個必要なので、カルビンサイクルを3回転させることになる。 グルコース分子1個（G3P分子2個から生成できる）を作るには、カルビンサイクルを6回転させる必要がある。 余剰のG3Pは、植物が必要とするものに応じて、デンプン、スクロース、セルロースなどの他の炭水化物を形成するためにも使用できる
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