Calvijncyclus
De Calvijncyclus, Calvin-Benson-Bassham (CBB)-cyclus, reductieve pentosefosfaatcyclus (RPP-cyclus) of C3-cyclus is een reeks biochemische redoxreacties die plaatsvinden in het stroma van chloroplasten in fotosynthetische organismen.
De cyclus werd in 1950 ontdekt door Melvin Calvin, James Bassham en Andrew Benson aan de universiteit van Californië, Berkeley, door gebruik te maken van de radioactieve isotoop koolstof-14.
Fotosynthese vindt in twee fasen in een cel plaats. In de eerste fase vangen licht-afhankelijke reacties de energie van het licht op en gebruiken deze om de energie-opslag- en transportmoleculen ATP en NADPH te maken. De Calvijncyclus gebruikt de energie van kortlevende elektronisch geëxciteerde dragers om kooldioxide en water om te zetten in organische verbindingen die kunnen worden gebruikt door het organisme (en door dieren die zich ermee voeden). Deze reeks reacties wordt ook wel koolstoffixatie genoemd. Het sleutelenzym van deze cyclus wordt RuBisCO genoemd. In de volgende biochemische vergelijkingen bestaan de chemische species (fosfaten en carbonzuren) in evenwichten tussen hun verschillende geïoniseerde toestanden, zoals bepaald door de pH.
De enzymen in de Calvijncyclus zijn functioneel gelijkwaardig aan de meeste enzymen die worden gebruikt in andere metabolische routes zoals gluconeogenese en de pentosefosfaatroute, maar ze bevinden zich in het chloroplaststroma in plaats van in het celcytosol, waardoor de reacties worden gescheiden. Zij worden geactiveerd in het licht (daarom is de naam “donkere reactie” misleidend), en ook door producten van de licht-afhankelijke reactie. Deze regulerende functies voorkomen dat de Calvijncyclus wordt omgezet in kooldioxide. Energie (in de vorm van ATP) zou worden verspild bij het uitvoeren van deze reacties die geen netto produktiviteit hebben.
De som van de reacties in de Calvijn-cyclus is de volgende:
3 CO
2 + 6 NADPH + 6 H+ + 9 ATP → glyceraldehyde-3-fosfaat (G3P) + 6 NADP+ + 9 ADP + 3 H
2O + 8 Pi (Pi = anorganisch fosfaat)
Hexose (zes-koolstof) suikers zijn geen product van de Calvijn-cyclus. Hoewel in veel teksten een product van de fotosynthese wordt vermeld als C
6H
12O
6, is dit vooral een gemak om de vergelijking van de ademhaling tegen te gaan, waar zes-koolstof suikers worden geoxideerd in mitochondriën. De koolhydraatproducten van de Calvijncyclus zijn driekoolige suikerfosfaatmoleculen, of “triosefosfaten”, namelijk glyceraldehyde-3-fosfaat (G3P).
StappenEdit
In de eerste fase van de Calvijn-cyclus wordt een CO
2-molecuul opgenomen in een van de twee driekoolstofmoleculen (glyceraldehyde-3-fosfaat of G3P), waar het twee moleculen ATP en twee moleculen NADPH opgebruikt, die in de licht-afhankelijke fase waren geproduceerd. De drie betrokken stappen zijn:
- Het enzym RuBisCO katalyseert de carboxylering van ribulose-1,5-bisfosfaat, RuBP, een verbinding van 5 koolstofatomen, door kooldioxide (in totaal 6 koolstofatomen) in een reactie in twee stappen. Het product van de eerste stap is enediol-enzymcomplex dat CO
2 of O
2 kan vastleggen. Het enediol-enzymcomplex is dus het echte carboxylase/oxygenase. De CO
2 die door enediol in de tweede stap wordt vastgelegd produceert een onstabiele zes-koolstof verbinding genaamd 2-carboxy 3-keto 1,5-bifosforibotol (CKABP) (of 3-keto-2-carboxyarabinitol 1,5-bisfosfaat) dat onmiddellijk splitst in 2 moleculen van 3-fosfoglyceraat (ook geschreven als 3-fosfoglycerinezuur, PGA, 3PGA, of 3-PGA), een 3-koolstof verbinding. - Het enzym fosfoglyceraatkinase katalyseert de fosforylering van 3-PGA door ATP (dat in de lichtafhankelijke fase werd geproduceerd). 1,3-Bisfosfoglyceraat (1,3BPGA, glyceraat-1,3-bisfosfaat) en ADP zijn de producten. (Merk echter op dat er twee 3-PGA’s worden geproduceerd voor elke CO
2 die de cyclus ingaat, dus deze stap gebruikt twee ATP per vast CO
2.) - Het enzym glyceraldehyde-3-fosfaatdehydrogenase katalyseert de reductie van 1,3BPGA door NADPH (dat een ander product is van de lichtafhankelijke fase). Glyceraldehyde-3-fosfaat (ook G3P, GP, TP, PGAL, GAP genoemd) wordt geproduceerd, en het NADPH zelf wordt geoxideerd en wordt NADP+. Ook hier worden twee NADPH gebruikt per vast CO
2.
De volgende fase in de Calvijn-cyclus is het regenereren van RuBP. Vijf G3P-moleculen produceren drie RuBP-moleculen, waarbij drie moleculen ATP worden verbruikt. Aangezien elke CO
2-molecule twee G3P-moleculen produceert, produceren drie CO
2-moleculen zes G3P-moleculen, waarvan er vijf worden gebruikt om RuBP te regenereren, zodat er netto één G3P-molecule per drie CO
2-moleculen overblijft (zoals zou worden verwacht op grond van het aantal betrokken koolstofatomen).
De regeneratiefase kan in stappen worden opgedeeld.
- Triosefosfaatisomerase zet alle G3P omkeerbaar om in dihydroxyacetonfosfaat (DHAP), ook een 3-koolstofmolecuul.
- Aldolase en fructose-1,6-bisfosfatase zetten een G3P en een DHAP om in fructose-6-fosfaat (6C). Een fosfaation gaat verloren in oplossing.
- Daarna wordt door fixatie van nog een CO
2 nog twee G3P gegenereerd. - F6P wordt door transketolase van twee koolstoffen ontdaan, waardoor erythrose-4-fosfaat (E4P) ontstaat. De twee koolwaterstoffen van transketolase worden toegevoegd aan een G3P, waardoor de ketose xylulose-5-fosfaat (Xu5P) ontstaat.
- E4P en een DHAP (gevormd uit een van de G3P van de tweede CO
2-fixatie) worden door het aldolase-enzym omgezet in sedoheptulose-1,7-bisfosfaat (7C). - Sedoheptulose-1,7-bisfosfatase (een van de slechts drie enzymen van de Calvijn-cyclus die uniek zijn voor planten) splitst sedoheptulose-1,7-bisfosfaat in sedoheptulose-7-fosfaat, waarbij een anorganisch fosfaation in oplossing vrijkomt.
- Fixatie van een derde CO
2 genereert nog eens twee G3P. Van de ketose S7P worden twee carbons verwijderd door transketolase, waardoor ribose-5-fosfaat (R5P) ontstaat, en de twee carbons die overblijven op transketolase worden overgebracht op één van de G3P, waardoor nog een Xu5P ontstaat. Zo blijft er één G3P over als product van de fixatie van 3 CO
2, waarbij drie pentosen ontstaan die kunnen worden omgezet in Ru5P. - R5P wordt omgezet in ribulose-5-fosfaat (Ru5P, RuP) door fosfopentose-isomerase. Xu5P wordt door fosfopentose-epimerase omgezet in RuP.
- Tot slot fosforyleert fosforibulokinase (een ander plantonafhankelijk enzym van de route) RuP tot RuBP, ribulose-1,5-bisfosfaat, waarmee de Calvijn-cyclus is voltooid. Hiervoor is één ATP nodig.
Dus van de zes geproduceerde G3P worden er vijf gebruikt om drie RuBP-moleculen (5C) te maken (met in totaal 15 koolwaterstoffen), waarbij slechts één G3P beschikbaar is voor de daaropvolgende omzetting in hexose. Hiervoor zijn negen ATP-moleculen en zes NADPH-moleculen per drie CO
2 moleculen nodig. De vergelijking van de totale Calvijn-cyclus is hieronder schematisch weergegeven.
RuBisCO reageert ook competitief met O
2 in plaats van CO
2 in fotorespiratie. De snelheid van fotorespiratie is hoger bij hoge temperaturen. Fotorespiratie zet RuBP om in 3-PGA en 2-fosfoglycolaat, een 2-koolstofmolecuul dat via glycolaat en glyoxalaat kan worden omgezet in glycine. Via het glycinesplitsingssysteem en tetrahydrofolaat worden twee glycines omgezet in serine +CO
2. Serine kan weer worden omgezet in 3-fosfoglyceraat. Slechts 3 van de 4 koolwaterstoffen uit twee fosfoglycolaten kunnen dus weer worden omgezet in 3-PGA. Het is duidelijk dat fotorespiratie zeer negatieve gevolgen heeft voor de plant, want in plaats van CO
2 vast te leggen, leidt dit proces tot verlies van CO
2. C4-koolstoffixatie is geëvolueerd om fotorespiratie te omzeilen, maar kan alleen voorkomen in bepaalde planten die inheems zijn in zeer warme of tropische klimaten – maïs, bijvoorbeeld.
ProductenEdit
De onmiddellijke producten van één draai van de Calvijn-cyclus zijn 2 glyceraldehyde-3-fosfaat (G3P)-moleculen, 3 ADP, en 2 NADP+. (ADP en NADP+ zijn niet echt “producten”. Ze worden geregenereerd en later weer gebruikt in de licht-afhankelijke reacties). Elke G3P-molecule bestaat uit 3 koolwaterstoffen. Om de Calvijn-cyclus te laten doorgaan, moet RuBP (ribulose 1,5-bisfosfaat) worden geregenereerd. Hiervoor worden dus 5 van de 6 koolstoffen uit de 2 G3P-moleculen gebruikt. Er wordt dus per beurt slechts 1 netto koolstof geproduceerd om mee te spelen. Om 1 overschot aan G3P te maken zijn 3 koolstoffen nodig, en dus 3 beurten van de Calvijn-cyclus. Om één glucosemolecuul te maken (dat uit 2 G3P-moleculen kan worden gemaakt) zijn 6 beurten van de Calvijn-cyclus nodig. Een overschot aan G3P kan ook worden gebruikt om andere koolhydraten te vormen, zoals zetmeel, sacharose en cellulose, afhankelijk van wat de plant nodig heeft.