Calvincykeln
Calvincykeln, Calvin-Benson-Bassham-cykeln (CBB-cykeln), den reduktiva pentosefosfatcykeln (RPP-cykeln) eller C3-cykeln är en serie biokemiska redoxreaktioner som äger rum i kloroplastens stroma i fotosyntetiska organismer.
Cykeln upptäcktes 1950 av Melvin Calvin, James Bassham och Andrew Benson vid University of California, Berkeley med hjälp av den radioaktiva isotopen kol-14.
Fotosyntesen sker i två steg i en cell. I det första steget fångar ljusberoende reaktioner upp ljusets energi och använder den för att göra energilagrings- och transportmolekylerna ATP och NADPH. Calvincykeln använder energin från kortlivade elektroniskt exciterade bärare för att omvandla koldioxid och vatten till organiska föreningar som kan användas av organismen (och av djur som livnär sig på den). Denna uppsättning reaktioner kallas också för kolfixering. Cykelns nyckelenzym kallas RuBisCO. I följande biokemiska ekvationer existerar de kemiska arterna (fosfater och karboxylsyror) i jämvikt mellan sina olika joniserade tillstånd som styrs av pH.
Enzymerna i Calvin-cykeln är funktionellt likvärdiga med de flesta enzymer som används i andra metaboliska vägar, t.ex. glukoneogenes och pentosfosfatvägen, men de återfinns i kloroplastens stroma i stället för i cellens cytosol, vilket separerar reaktionerna. De aktiveras i ljuset (vilket är anledningen till att namnet ”mörkerreaktion” är missvisande) och även av produkter från den ljusberoende reaktionen. Dessa reglerande funktioner förhindrar att Calvincykeln andas till koldioxid. Energi (i form av ATP) skulle gå till spillo för att utföra dessa reaktioner som inte har någon nettoproduktivitet.
Summan av reaktionerna i Calvincykeln är följande:
3 CO
2 + 6 NADPH + 6 H+ + 9 ATP → glyceraldehyd-3-fosfat (G3P) + 6 NADP+ + 9 ADP + 3 H
2O + 8 Pi (Pi = oorganiskt fosfat)
Hexos (sexkoligt) socker är inte en produkt av Calvincykeln. Även om många texter anger en produkt av fotosyntesen som C
6H
12O
6, är detta främst en bekvämlighet för att motverka ekvationen för respiration, där sexkoliga sockerarter oxideras i mitokondrier. Kolhydratprodukterna i Calvincykeln är trekoliga sockerfosfatmolekyler, eller ”triosfosfater”, nämligen glyceraldehyd-3-fosfat (G3P).
StepsEdit
I Calvincykelns första steg inkorporeras en CO
2-molekyl i en av två trikarbonmolekyler (glyceraldehyd-3-fosfat eller G3P), där den förbrukar två ATP-molekyler och två NADPH-molekyler, som hade producerats i det ljusberoende steget. De tre stegen är följande:
- Enzymet RuBisCO katalyserar karboxyleringen av ribulos-1,5-bisfosfat, RuBP, en förening med 5 kol, med koldioxid (totalt 6 kol) i en reaktion i två steg. Produkten från det första steget är enediol-enzymkomplex som kan fånga upp CO
2 eller O
2. Enediol-enzymkomplexet är således det verkliga karboxylas/oxygenaset. Den CO
2 som fångas upp av enediol i det andra steget producerar en instabil förening med sex kol som kallas 2-carboxy 3-keto 1,5-bifosforibotol (CKABP) (eller 3-keto-2-carboxyarabinitol 1,5-bisfosfat) som omedelbart delas upp i två molekyler 3-fosfoglycerat (även skrivet som 3-fosfoglycerinsyra, PGA, 3PGA eller 3-PGA), en förening med tre kol. - Enzymet fosfoglyceratkinas katalyserar fosforyleringen av 3-PGA med ATP (som producerades i det ljusberoende stadiet). 1,3-bisfosfoglycerat (1,3BPGA, glycerat-1,3-bisfosfat) och ADP är produkterna. (Observera dock att två 3-PGA produceras för varje CO
2 som kommer in i cykeln, så detta steg använder två ATP per CO
2 fixerat.) - Enzymet glyceraldehyd-3-fosfatdehydrogenas katalyserar reduktionen av 1,3BPGA med NADPH (som är en annan produkt från det ljusberoende steget). Glyceraldehyd-3-fosfat (även kallat G3P, GP, TP, PGAL, GAP) bildas, och NADPH oxideras i sin tur och blir till NADP+. Återigen utnyttjas två NADPH per fastlagd CO
2.
Nästa steg i Calvincykeln är att regenerera RuBP. Fem G3P-molekyler producerar tre RuBP-molekyler, vilket förbrukar tre ATP-molekyler. Eftersom varje CO
2-molekyl producerar två G3P-molekyler, producerar tre CO
2-molekyler sex G3P-molekyler, varav fem används för att regenerera RuBP, vilket ger en nettovinst på en G3P-molekyl per tre CO
2-molekyler (vilket man kan förvänta sig utifrån antalet inblandade kolatomer).
Regenereringsfasen kan delas upp i steg.
- Triosfosfatisomeras omvandlar allt G3P reversibelt till dihydroxyacetonfosfat (DHAP), som också är en molekyl med 3 kol.
- Aldolas och fruktos-1,6-bisfosfatas omvandlar ett G3P och ett DHAP till fruktos-6-fosfat (6C). En fosfatjon förloras i lösningen.
- Fixering av ytterligare en CO
2 genererar ytterligare två G3P. - F6P får två kolväten borttagna av transketolas, vilket ger erytros-4-fosfat (E4P). Transketolasets två kolväten läggs till en G3P, vilket ger ketosen xylulosaf-5-fosfat (Xu5P).
- E4P och en DHAP (som bildas från en av G3P:erna från den andra CO
2-fixeringen) omvandlas till sedoheptulosaf-1,7-bisfosfat (7C) med hjälp av aldolasenzym. - Sedoheptulos-1,7-bisfosfatas (ett av endast tre enzymer i Calvincykeln som är unika för växter) klyver sedoheptulos-1,7-bisfosfat till sedoheptulos-7-fosfat, varvid en oorganisk fosfatjon släpps ut i lösningen.
- Fixering av en tredje CO
2 genererar ytterligare två G3P. Ketosen S7P får två kolväten avlägsnade av transketolas, vilket ger ribose-5-fosfat (R5P), och de två kolväten som återstår på transketolas överförs till en av G3P:erna, vilket ger ytterligare en Xu5P. Då återstår en G3P som produkt av fixering av 3 CO
2, med generering av tre pentoser som kan omvandlas till Ru5P. - R5P omvandlas till ribulos-5-fosfat (Ru5P, RuP) med hjälp av fosfopentosisomeras. Xu5P omvandlas till RuP av fosfopentosepimeras.
- Slutligen fosforibulokinas (ett annat växtunikt enzym i vägen) fosforylerar RuP till RuBP, ribulos-1,5-bisfosfat, vilket fullbordar Calvincykeln. Detta kräver tillförsel av en ATP.
Det innebär att av sex producerade G3P används fem för att göra tre RuBP-molekyler (5C) (totalt 15 kolväten), med endast en G3P tillgänglig för efterföljande omvandling till hexos. Detta kräver nio ATP-molekyler och sex NADPH-molekyler per tre CO
2-molekyler. Ekvationen för den totala Calvincykeln visas schematiskt nedan.
RuBisCO reagerar också kompetitivt med O
2 i stället för med CO
2 i fotorespiration. Fotorespirationen är snabbare vid höga temperaturer. Fotorespiration omvandlar RuBP till 3-PGA och 2-fosfoglykolat, en molekyl med två kol som via glykolat och glyoxalat kan omvandlas till glycin. Via glycinspjälkningssystemet och tetrahydrofolat omvandlas två glycin till serin +CO
2. Serin kan omvandlas tillbaka till 3-fosfoglycerat. Således kan endast 3 av 4 kolväten från två fosfoglykolater omvandlas tillbaka till 3-PGA. Man kan se att fotorespiration har mycket negativa konsekvenser för växten, eftersom denna process i stället för att fixera CO
2 leder till förlust av CO
2. C4-kolfixering har utvecklats för att kringgå fotorespiration, men kan endast förekomma hos vissa växter som är inhemska i mycket varma eller tropiska klimat – till exempel majs.
ProdukterRedigera
De omedelbara produkterna från ett varv i Calvincykeln är 2 glyceraldehyd-3-fosfatmolekyler (G3P), 3 ADP och 2 NADP+. (ADP och NADP+ är egentligen inte ”produkter”. De regenereras och används senare igen i de ljusberoende reaktionerna). Varje G3P-molekyl består av 3 kolväten. För att Calvincykeln ska kunna fortsätta måste RuBP (ribulos 1,5-bisfosfat) regenereras. Så 5 av 6 kolväten från de 2 G3P-molekylerna används för detta ändamål. Därför finns det bara 1 netto producerat kol att spela med i varje omgång. För att skapa 1 överskott av G3P krävs 3 kolväten och därmed 3 varv i Calvincykeln. För att skapa en glukosmolekyl (som kan skapas från 2 G3P-molekyler) krävs 6 varv i Calvincykeln. Överskott av G3P kan också användas för att bilda andra kolhydrater som stärkelse, sackaros och cellulosa, beroende på vad växten behöver.