Cykl Calvina
Cykl Calvina, cykl Calvina-Bensona-Basshama (CBB), redukcyjny cykl pentozo-fosforanowy (cykl RPP) lub cykl C3 to seria biochemicznych reakcji redoks, które zachodzą w zrębie chloroplastu u organizmów fotosyntetyzujących.
Cykl ten został odkryty w 1950 roku przez Melvina Calvina, Jamesa Basshama i Andrew Bensona na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley przy użyciu radioaktywnego izotopu węgla-14.
Fotosynteza zachodzi w dwóch etapach w komórce. W pierwszym etapie reakcje zależne od światła przechwytują energię światła i wykorzystują ją do wytworzenia cząsteczek magazynujących energię i transportujących ATP i NADPH. Cykl Calvina wykorzystuje energię z krótkotrwałych elektronowo wzbudzonych nośników do przekształcenia dwutlenku węgla i wody w związki organiczne, które mogą być wykorzystane przez organizm (i przez zwierzęta, które się nim żywią). Ten zespół reakcji nazywany jest również wiązaniem węgla. Kluczowy enzym tego cyklu nosi nazwę RuBisCO. W następujących równań biochemicznych, chemicznych gatunków (fosforany i kwasy karboksylowe) istnieją w równowadze między ich różnych stanów zjonizowanych, jak regulowane przez pH.
Ezymów w cyklu Calvina są funkcjonalnie równoważne do większości enzymów stosowanych w innych szlaków metabolicznych, takich jak glukoneogenezy i pentozowej ścieżki fosforanowej, ale znajdują się w zrębie chloroplastu zamiast cytosolu komórki, oddzielając reakcje. Są one aktywowane w świetle (dlatego nazwa „reakcja ciemna” jest myląca), a także przez produkty reakcji zależnej od światła. Te funkcje regulacyjne zapobiegają oddychaniu w cyklu Calvina do dwutlenku węgla. Energia (w postaci ATP) zostałaby zmarnowana na przeprowadzenie tych reakcji, które nie mają produktywności netto.
Suma reakcji w cyklu Calvina jest następująca:
3 CO
2 + 6 NADPH + 6 H+ + 9 ATP → gliceraldehyd-3-fosforan (G3P) + 6 NADP+ + 9 ADP + 3 H
2O + 8 Pi (Pi = fosforan nieorganiczny)
Cukry heksozy (sześciowęglowe) nie są produktem cyklu Calvina. Chociaż w wielu tekstach jako produkt fotosyntezy wymienia się C
6H
12O
6, jest to głównie ułatwienie, aby przeciwstawić się równaniu oddychania, w którym cukry sześciowęglowe są utleniane w mitochondriach. Węglowodanowymi produktami cyklu Calvina są trójwęglowe cząsteczki fosforanów cukrowych, czyli „fosforany triozy”, a mianowicie gliceraldehyd-3-fosforan (G3P).
EtapyEdit
W pierwszym etapie cyklu Calvina, cząsteczka CO
2 jest włączana do jednej z dwóch cząsteczek trójwęglowych (3-fosforanu gliceraldehydu lub G3P), gdzie zużywa dwie cząsteczki ATP i dwie cząsteczki NADPH, które zostały wyprodukowane w etapie zależnym od światła. Trzy etapy biorące udział w tym procesie to:
- Ezym RuBisCO katalizuje karboksylację rybulozy-1,5-bisfosforanu, RuBP, związku pięciowęglowego, przez dwutlenek węgla (łącznie 6 węgli) w reakcji dwuetapowej. Produktem pierwszego etapu jest kompleks enediol-enzym, który może wychwytywać CO
2 lub O
2. Tak więc kompleks enediol-enzym jest prawdziwą karboksylazą/oksygenazą. Z CO
2 wychwyconego przez enediol w drugim etapie powstaje niestabilny związek sześciowęglowy o nazwie 2-karboksy 3-keto 1,5-bifosforybootol (CKABP) (lub 3-keto-2-karboksyarabinitol 1,5-bisfosforan), który natychmiast rozpada się na 2 cząsteczki 3-fosfoglicerynianu (zapisywanego również jako kwas 3-fosfoglicerynowy, PGA, 3PGA lub 3-PGA), związku trójwęglowego. - Ezym kinaza fosfoglicerynianowa katalizuje fosforylację 3-PGA przez ATP (który został wytworzony w fazie zależnej od światła). Produktami są 1,3-bisfosfoglicerynian (1,3BPGA, gliceryno-1,3-bisfosforan) i ADP. (Należy jednak pamiętać, że dwa 3-PGA są produkowane na każdy CO
2, który wchodzi do cyklu, więc ten etap wykorzystuje dwa ATP na każdy ustalony CO
2.) - Ezym dehydrogenaza gliceraldehydu 3-fosforanu katalizuje redukcję 1,3BPGA przez NADPH (który jest kolejnym produktem etapu zależnego od światła). Powstaje 3-fosforan gliceraldehydu (zwany również G3P, GP, TP, PGAL, GAP), a sam NADPH jest utleniany i przekształca się w NADP+. Ponownie, dwa NADPH są wykorzystywane na każdy ustalony CO
2.
Kolejnym etapem cyklu Calvina jest regeneracja RuBP. Pięć cząsteczek G3P wytwarza trzy cząsteczki RuBP, zużywając trzy cząsteczki ATP. Ponieważ każda cząsteczka CO
2 wytwarza dwie cząsteczki G3P, trzy cząsteczki CO
2 wytwarzają sześć cząsteczek G3P, z których pięć jest wykorzystywanych do regeneracji RuBP, pozostawiając zysk netto w postaci jednej cząsteczki G3P na trzy cząsteczki CO
2 (jak można by się spodziewać na podstawie liczby atomów węgla).
Fazę regeneracji można podzielić na etapy.
- Izomeraza fosforanu triozowego przekształca odwracalnie cały G3P w fosforan dihydroksyacetonu (DHAP), również cząsteczkę 3-węglową.
- Aldolaza i fruktozo-1,6-bisfosfataza przekształcają G3P i DHAP w fruktozo-6-fosforan (6C). Jon fosforanowy jest tracony do roztworu.
- Potem wiązanie innego CO
2 generuje dwa kolejne G3P. - F6P ma dwa węgle usunięte przez transketolazę, dając erytroza-4-fosforan (E4P). Dwa węgle na transketolazie są dodawane do G3P, dając ketozowy ksylulozo-5-fosforan (Xu5P).
- E4P i DHAP (utworzony z jednego z G3P z drugiego wiązania CO
2) są przekształcane w sedoheptulozo-1,7-bisfosforan (7C) przez enzym aldolazę. - Sedoheptulose-1,7-bisphosphatase (jeden z zaledwie trzech enzymów cyklu Calvina, które są unikalne dla roślin) rozszczepia sedoheptulose-1,7-bisphosphate do sedoheptulose-7-phosphate, uwalniając nieorganiczny jon fosforanowy do roztworu.
- Utrwalanie trzeciego CO
2 generuje dwa kolejne G3P. Ketozy S7P ma dwa węgle usunięte przez transketolazę, dając rybozo-5-fosforan (R5P), a dwa węgle pozostające na transketolazie są przenoszone do jednego z G3P, dając inny Xu5P. Pozostaje jeden G3P jako produkt wiązania 3 CO
2, z wytworzeniem trzech pentoz, które mogą być przekształcone w Ru5P. - R5P jest przekształcany w rybulozo-5-fosforan (Ru5P, RuP) przez izomerazę fosfopentozową. Xu5P jest przekształcany w RuP przez epimerazę fosfopentozową.
- Wreszcie, fosforybo-ulokinaza (inny unikalny dla roślin enzym szlaku) fosforyluje RuP do RuBP, rybulozo-1,5-bisfosforanu, kończąc cykl Calvina. Wymaga to wkładu jednego ATP.
Tak więc, z sześciu wyprodukowanych G3P, pięć jest używanych do tworzenia trzech cząsteczek RuBP (5C) (łącznie 15 węgli), z tylko jednym G3P dostępnym do późniejszej konwersji do heksozy. Wymaga to dziewięciu cząsteczek ATP i sześciu cząsteczek NADPH na trzy cząsteczki CO
2. Równanie całego cyklu Calvina przedstawiono schematycznie poniżej.
RuBisCO reaguje również konkurencyjnie z O
2 zamiast z CO
2 w fotoodprysku. Szybkość fotorespiracji jest większa w wysokich temperaturach. Fotorespiracja przekształca RuBP w 3-PGA i 2-fosfoglikolan, 2-węglową cząsteczkę, która może być przekształcona przez glikolan i glioksalan do glicyny. Poprzez system rozszczepiania glicyny i tetrahydrofolian, dwie glicyny są przekształcane w serynę +CO
2. Seryna może być przekształcona z powrotem do 3-fosfoglicerynianu. Tak więc tylko 3 z 4 węgli z dwóch fosfoglikolanów mogą być przekształcone z powrotem do 3-PGA. Jak widać, fotorespiracja ma bardzo negatywne konsekwencje dla rośliny, ponieważ zamiast wiązać CO
2, proces ten prowadzi do utraty CO
2. C4 wiązanie węgla ewoluowało, aby obejść fotorespirację, ale może wystąpić tylko u niektórych roślin występujących w bardzo ciepłym lub tropikalnym klimacie – na przykład u kukurydzy.
ProduktyEdit
Bezpośrednimi produktami jednego obrotu cyklu Calvina są 2 cząsteczki gliceraldehydu-3-fosforanu (G3P), 3 ADP i 2 NADP+. (ADP i NADP+ nie są tak naprawdę „produktami”. Są one regenerowane i później ponownie wykorzystywane w reakcjach zależnych od światła). Każda cząsteczka G3P składa się z 3 węgli. Aby cykl Calvina mógł być kontynuowany, RuBP (1,5-bisfosforan rybulozy) musi zostać zregenerowany. Tak więc 5 z 6 węgli z 2 cząsteczek G3P jest wykorzystywanych do tego celu. Dlatego w każdej turze jest tylko 1 węgiel netto do wykorzystania w grze. Do wytworzenia 1 nadwyżki G3P potrzebne są 3 węgle, a więc 3 obroty cyklu Calvina. Aby wytworzyć jedną cząsteczkę glukozy (która może być utworzona z 2 cząsteczek G3P) potrzeba 6 obrotów cyklu Calvina. Nadwyżka G3P może być również wykorzystana do tworzenia innych węglowodanów, takich jak skrobia, sacharoza i celuloza, w zależności od potrzeb rośliny.