Ciclo Calvin
O ciclo Calvin, ciclo Calvin-Benson-Bassham (CBB), ciclo pentose fosfato redutor (ciclo RPP) ou ciclo C3 é uma série de reações bioquímicas redox que ocorrem no estroma do cloroplasto em organismos fotossintéticos.
O ciclo foi descoberto em 1950 por Melvin Calvin, James Bassham, e Andrew Benson na Universidade da Califórnia, Berkeley, usando o isótopo radioativo carbono-14.
Fotossíntese ocorre em dois estágios em uma célula. No primeiro estágio, as reações dependentes da luz captam a energia da luz e a utilizam para fazer o armazenamento de energia e transporte das moléculas ATP e NADPH. O ciclo Calvin utiliza a energia de portadores de excitação eletrônica de curta duração para converter dióxido de carbono e água em compostos orgânicos que podem ser utilizados pelo organismo (e por animais que se alimentam dele). Este conjunto de reações também é chamado de fixação de carbono. A enzima chave do ciclo é chamada RuBisCO. Nas equações bioquímicas seguintes, as espécies químicas (fosfatos e ácidos carboxílicos) existem em equilíbrio entre seus vários estados ionizados, como governado pelo pH.
As enzimas do ciclo de Calvin são funcionalmente equivalentes à maioria das enzimas usadas em outras vias metabólicas como a gluconeogênese e a via do fosfato pentose, mas elas são encontradas no estroma cloroplástico ao invés do citosol celular, separando as reações. Eles são ativados na luz (por isso o nome “reação escura” é enganoso), e também por produtos da reação dependente da luz. Estas funções reguladoras impedem que o ciclo Calvin seja respirado até ao dióxido de carbono. A energia (na forma de ATP) seria desperdiçada na realização dessas reações que não têm produtividade líquida.
A soma das reacções no ciclo de Calvin é a seguinte:
3 CO
2 + 6 NADPH + 6 H+ + 9 ATP → gliceraldeído-3-fosfato (G3P) + 6 NADP+ + 9 ADP + 3 H
2O + 8 Pi (Pi = fosfato inorgânico)
Açúcares de hexose (seis-carbonos) não são um produto do ciclo de Calvin. Embora muitos textos listem um produto de fotossíntese como C
6H
12O
6, isto é principalmente uma conveniência para contrariar a equação da respiração, onde os açúcares seis-carbono são oxidados nas mitocôndrias. Os produtos carboidratos do ciclo Calvin são moléculas de três carbonos de fosfato de açúcar, ou “triose fosfatos”, ou seja, gliceraldeído-3-fosfato (G3P).
PassosEditar
No primeiro estágio do ciclo de Calvin, uma molécula de CO
2 é incorporada em uma de duas moléculas de trêscarbonetos (gliceraldeído 3-fosfato ou G3P), onde utiliza duas moléculas de ATP e duas moléculas de NADPH, que tinham sido produzidas no estágio dependente da luz. Os três passos envolvidos são:
- A enzima RuBisCO catalisa a carboxilação da ribulose-1,5-bisfosfato, RuBP, um composto de 5-carbono, por dióxido de carbono (um total de 6 carbonos) numa reacção em duas etapas. O produto do primeiro passo é o complexo enzimático enediol que pode capturar CO
2 ou O
2. Assim, o complexo enzimático enediol é a carboxilase/oxigenase real. O CO
2 que é capturado pelo enediol no segundo passo produz um composto instável de seis átomos de carbono chamado 2-carboxilase de 3-cobalto 1,5-bifosforibotol (CKABP) (ou 1,5-bisfosfato de 3-cobalto-2-carboxiarabinitol) que se divide imediatamente em 2 moléculas de 3-fosfoglicerato (também escrito como ácido 3-fosfoglicérico, PGA, 3PGA, ou 3-PGA), um composto de 3-carbono. - A enzima fosfoglicérato cinase catalisa a fosforilação do 3-PGA por ATP (que foi produzido na fase dependente da luz). O 1,3-Bisfosfoglicerato (1,3BPGA, glicerato-1,3-bisfosfato) e o ADP são os produtos. (Entretanto, note que dois 3-PGAs são produzidos para cada CO
2 que entra no ciclo, portanto esta etapa utiliza dois ATP por CO
2 fixo.) - A enzima gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase catalisa a redução de 1,3BPGA por NADPH (que é outro produto do estágio dependente da luz). O 3-fosfato de gliceraldeído (também chamado G3P, GP, TP, PGAL, GAP) é produzido, e o próprio NADPH é oxidado e torna-se NADP+. Novamente, dois NADPH são utilizados por CO
2 fixo.
O próximo estágio do ciclo de Calvin é a regeneração do RuBP. Cinco moléculas de G3P produzem três moléculas de RuBP, usando até três moléculas de ATP. Como cada molécula de CO
2 produz duas moléculas de G3P, três moléculas de CO
2 produzem seis moléculas de G3P, das quais cinco são usadas para regenerar RuBP, deixando um ganho líquido de uma molécula de G3P por três moléculas de CO
2 (como seria esperado do número de átomos de carbono envolvidos).
A fase de regeneração pode ser dividida em etapas.
- A triose fosfato isomerase converte todo o G3P reversivelmente em fosfato de di-hidroxiacetona (DHAP), também uma molécula de 3-carbono.
- Aldolase e fructose-1,6-bisfosfatase convertem um G3P e um DHAP em fosfato de frutose 6-fosfato (6C). Um íon fosfato é perdido em solução.
- Então a fixação de outro CO
2 gera mais dois G3P. - F6P tem dois carbonos removidos por transketolase, dando eritrose-4-fosfato (E4P). Os dois carbonos da transketolase são adicionados a um G3P, dando a cetose xilulose-5-fosfato (Xu5P).
- E4P e um DHAP (formado a partir de um dos G3P da segunda fixação de CO
2) são convertidos em sedoheptulose-1,7-bisfosfato (7C) pela enzima aldolase. - Sedoheptulose-1,7-bisfosfatase (uma das três únicas enzimas do ciclo de Calvin que são exclusivas das plantas) clivam o sedoheptulose-1,7-bisfosfato em sedoheptulose-7-fosfato, liberando um íon fosfato inorgânico em solução.
- Fixação de um terceiro CO
2 gera mais dois G3P. A cetose S7P tem dois carbonos removidos por transketolase, dando ribose-5-fosfato (R5P), e os dois carbonos restantes na transketolase são transferidos para um dos G3P, dando outro Xu5P. Isto deixa um G3P como produto de fixação de 3 CO
2, com geração de três pentoses que podem ser convertidas em Ru5P. - R5P é convertido em ribulose-5-fosfato (Ru5P, RuP) por fospopentose isomerase. Xu5P é convertido em RuP por fospopentose epimerase.
- Finalmente, fosforibulokinase (outra enzima planta-única do caminho) fosforilatos RuP em RuBP, ribulose-1,5-bisfosfato, completando o ciclo de Calvin. Isto requer a entrada de um ATP.
Assim, de seis G3P produzidos, cinco são usados para fazer três moléculas de RuBP (5C) (totalizando 15 carbonos), com apenas um G3P disponível para posterior conversão em hexose. Isto requer nove moléculas de ATP e seis moléculas de NADPH por três moléculas de CO
2. A equação do ciclo global de Calvin é mostrada esquematicamente abaixo.
RuBisCO também reage competitivamente com O
2 em vez de CO
2 em fotorrespiração. A taxa de fotorrespiração é mais elevada a altas temperaturas. A fotorrespiração transforma RuBP em 3-PGA e 2-fosfoglicolato, uma molécula de 2-carbono que pode ser convertida via glicolato e glioxalato em glicina. Através do sistema de clivagem da glicina e do tetrahidrofolato, duas glicinas são convertidas em serina +CO
2. A serina pode ser convertida novamente em 3-fosfoglicolato. Assim, apenas 3 de 4 carbonos de dois fosfoglicóis podem ser convertidos de volta para 3-PGA. Pode-se observar que a fotorrespiração tem consequências muito negativas para a planta, pois, em vez de fixar CO
2, este processo leva à perda de CO
2. A fixação do carbono C4 evoluiu para contornar a fotorrespiração, mas só pode ocorrer em certas plantas nativas de climas muito quentes ou tropicais, por exemplo.
ProdutosEditar
Os produtos imediatos de uma volta do ciclo Calvin são 2 moléculas de gliceraldeído-3-fosfato (G3P), 3 ADP, e 2 NADP+. (ADP e NADP+ não são realmente “produtos”. Eles são regenerados e posteriormente utilizados novamente nas reações dependentes da luz). Cada molécula de G3P é composta por 3 carbonos. Para que o ciclo de Calvin continue, o RuBP (ribulose 1,5-bisfosfato) deve ser regenerado. Assim, 5 em cada 6 carbonos das 2 moléculas de G3P são utilizados para este fim. Portanto, há apenas 1 carbono líquido produzido para brincar em cada curva. Para criar 1 G3P excedente requer 3 carbonos, e portanto 3 voltas do ciclo Calvin. Para fazer uma molécula de glucose (que pode ser criada a partir de 2 moléculas de G3P) seriam necessárias 6 voltas do ciclo de Calvin. O G3P excedente também pode ser utilizado para formar outros hidratos de carbono, tais como amido, sacarose e celulose, dependendo do que a planta necessita.