Calvinův cyklus

Calvin cyklus (také Calvin-Benson cyklus , Calvin-Benson-Baaham cyklus (CBB) nebo ribulosa bisfosfát cyklus ) je cyklický sled chemických reakcí, kterými oxid uhličitý (CO 2 se) snížena na glukózu a zaměnitelných . Metabolická cesta probíhá v rostlinách C 3 a s dalšími reakcemi ve všech ostatních fotosyntetických ( fotoautotrofních ) organismech; je to jejich temná reakce . Slouží také mnohachemautotrophic bytosti pro asimilaci z uhlíku z oxidu uhličitého. Analogicky k cyklu kyseliny citronové je Calvinův cyklus také známý jako redukční cyklus fosfátu pentózy . Cyklus byl objeven americkými biochemiky Melvinem Calvinem , Andrewem A. Bensonem a Jamesem Alanem Basshamem mezi lety 1946 a polovinou padesátých let minulého století a někdy je pojmenován po Bensonovi a Calvinovi nebo po všech třech výzkumnících.

Calvin cyklus se skládá z několika cyklicky uspořádaných enzymatických kroků, a probíhá v stromatu na chloroplastů v rostlinách, ale v cytoplazmě v bakteriích . Jednotlivé dílčí kroky lze rozdělit do tří fází: fixace CO 2 , redukce primárního fixačního produktu ( 3-fosfoglycerát ) a regenerace akceptoru CO 2 ( ribulosa-1,5-bisfosfát ).

NADPH , který je oxidován na NADP + , se používá jako redukční činidlo pro redukci CO 2 v Calvinově cyklu . Redukce je endergonická , protože zdrojem energie je ATP , který uvolňuje energii rozdělením na ADP a fosfát .

U fotoautotrofních organismů jsou NADPH a ATP tvořeny takzvanou světelnou reakcí fotosyntézy a jsou k dispozici pro Calvinův cyklus. V chemoautotrofních organismech jsou NADPH a ATP tvořeny exergonickými chemickými přeměnami jejich energetického metabolismu .

Jednotlivé kroky cyklu

Fixace CO 2

Calvinův cyklus: Tři fáze Calvinova cyklu, 1 - fixace CO 2 , 2 - redukce, 3 - regenerace

V prvním kroku Calvinova cyklu je CO 2 přidán k ribulosa-1,5-bisfosfátu (RuBP 2 ) jako akceptorová molekula klíčovým enzymem RuBisCO ; vysoce nestabilní meziprodukt (3-keto-2-carboxyarabinitol 1,5-bisfosfát) porouchá spontánně do dvou molekul 3-fosfoglycerát (3-PG), přičemž první detekovatelný meziprodukt C 3 rostlinách .

Primární fixační produkt 3-fosfoglycerát je nejen důležitým meziproduktem v Calvinově cyklu, ale vyskytuje se také v dalších důležitých bodech při tvorbě a rozpadu glukózy: glukoneogeneze nebo glykolýza v cytoplazmě . Slouží také jako předzvěst budování zásob škrobu v chloroplastu . Než však 3-PG vstoupí do zmíněných reakcí, redukuje se v další části Calvinova cyklu v chloroplastu na glyceraldehyd-3-fosfát (zkráceně G3P nebo GAP).

Redukce primárního fixačního produktu (3-fosfoglycerát)

Po fosforylaci kinázou a redukci speciální glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenázou (GAPDH; jako redukční činidlo NADPH místo NADH) se vytvoří metabolit glukoneogeneze glyceraldehyd-3-fosfát (GAP), což je důležitý bod větve. Protože je v každém cyklu fixována jedna molekula CO 2, je k biosyntéze k dispozici triozní molekula GAP po každých třech cyklech a je v rovnováze s dihydroxyacetonfosfátem (DHAP). Oba jsou také známé jako triosefosfáty. Jsou to první uhlohydráty, které vznikají jako zisk asimilace a mohou buď

Se sacharózou mohou být jiné části rostliny také zásobeny cukrem prostřednictvím floému . Aby mohl cyklus začít znovu, musí být některé z triózových fosfátů regenerovány na primární akceptor ribulózu-1,5-bisfosfát . K tomu slouží třetí část Calvinova cyklu.

Regenerace ribulozy-1,5-BP

Ve třetí části probíhá kruhové uzavření Calvinova cyklu cestou reduktivního pentózofosfátu. Když jsou tři CO 2 fixovány na ribulóza-1,5-bisfosfát (C 5 ), následně se vytvoří šest triozových fosfátů (C 3 ). Z nich je však pouze jeden „skutečným“ ziskem asimilace, z ostatních pěti je třeba regenerovat tři spotřebované ribulosa-1,5-bisfosfáty.

Jednotlivé reakce

Fixace CO 2

Karboxylace ribulózo-1,5-bisfosfátů ( 1 ) katalyzovaná RuBisCO . To je v rovnováze s jeho enediolovou formou ( 2 ) prostřednictvím keto-enolového tautomerismu . CO 2 na tomto enediolu kondenzuje a vytváří 2-karboxy-3-ketoarabinol-1,5-bisfosfát ( 3 ), který je hydrolýzou rozdělen na dvě molekuly 3-fosfoglycerátu ( 4 ).

Podrobně, CO 2 skupina je přidána do C2 atomu enol formy ribulosa-1,5-bifosfátu. Hypotetická 3-oxokyselina vázaná na enzym (arabinitol; přesněji: 2-karboxy-3-keto- D -arabinol-1,5-bisfosfát) vzniká jako nestabilní meziprodukt, který samovolně ( hydrolyzuje vodou na atomu C3 ) ve dvou molekulách triozového prekurzoru 3-fosfoglycerátu (3-PG) se rozpadají. Výše uvedený arabinit (C 6 ) nejprve produkuje molekulu D -3 -fosfoglycerátu (C 3 ) a karbaniontu (také C 3 ) sestávající ze tří atomů uhlíku , který je také protonací přeměněn na fosfoglycerát primárního fixačního produktu. V důsledku toho se na vázaný oxid uhličitý vytvoří dvě molekuly fosfoglycerátu, z nichž jedna obsahuje nově fixovaný uhlík oxidu uhličitého.

Redukce primárního fixačního produktu (3-fosfoglycerát)

Calvinův cyklus podrobně.

Kroky na cestě od 3-fosfoglycerátu k glyceraldehyd-3-fosfátu jsou podobné krokům glukoneogeneze a jsou katalyzovány izoenzymy v chloroplastu. Reakce probíhá ve dvou dílčích krocích. Nejprve je 3-fosfoglycerát aktivován fosforylací na 1,3-bisfosfoglycerát. K tomu katalyzující kináza spotřebovává energii ve formě ATP. Poté lze 1,3-bisfosfoglycerát redukovat na glyceraldehyd-3-fosfát (GAP) odštěpením právě zavedeného fosfátového zbytku. Katalyzujícím enzymem je světlem aktivovaná glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza . V tomto kroku je jako redukční činidlo vyžadován NADPH. Cytoplazmatický enzym glukoneogeneze naopak pracuje s NADH jako redukčním činidlem.

Regenerace ribulozy-1,5-BP

V redukčním pentózofosfátové cesty , tři molekuly GAP a dvě molekuly DHAP se nakonec převede na tři C 5 molekul v rozvětveného reakčním sledu prostřednictvím různých C 3 , C 4 , C 6, a C 7 meziproduktů cukru . Ty se převádějí na ribulózu-5-fosfát a fosforylují se ATP na ribulosu-1,5-bisfosfát. Pro tyto procesy jsou nezbytné především aldolasy , transketolázy a fosfatázy .

Reakce redukční pentózofosfátové dráhy (pro 3CO 2 ):

  • Aldoláza: GAP (C 3 ) + DHAP (C 3 ) → fruktóza-1,6-BP (C 6 )
  • Fruktóza-1,6-bisfosfát fosfatáza: fruktóza-1,6-BP + H 2 O → fruktóza-6-P + P i
  • Transketoláza: Fruktóza-6-P (C 6 ) + GAP (C 3 ) → Erythrose-4-P (C 4 ) + xylulose-5-P (C 5 )
  • Aldoláza: Erythrose-4-P (C 4 ) + DHAP (C 3 ) → Sedoheptulose-1,7-BP (C 7 )
  • Sedoheptulose-1,7-bisfosfát fosfatáza: Sedoheptulose-1,7-BP + H 2 O → Sedoheptulose-7-P + P i
  • Transketoláza: Sedoheptulose-7-P (C 7 ) + GAP (C 3 ) → xylulose-5-P (C 5 ) + ribose-5-P (C 5 )
  • Rib5P epimeráza: 2 xylulosa-5-P (C 5 ) → 2 ribulóza-5-P (C 5 )
  • Rib5P izomeráza: Ribóza-5-P (C 5 ) → Ribulóza-5-P (C 5 )
  • Ribulosa-5-fosfát kináza: 3 ribulosa-5-P (C 5 ) + 3 ATP → 3 ribulóza-1,5-BP (C 5 ) + 3 ADP

Součtová rovnice Calvinova cyklu

Na každé tři CO 2 musí být použito celkem devět ATP a šest NADPH.

K redukci se používá šest molekul ATP a šest NADPH (šest molekul 3-fosfátu kyseliny glycerové se redukuje na šest glyceraldehyd-3-fosfátu). To produkuje šest ADP, šest fosfátů a šest NADP + . Další tři ATP se spotřebují během regenerace akceptoru (tři molekuly ribulózy-5-P jsou fosforylovány na tři molekuly ribulózy-1,5-BP) a vytvoří se tři ADP.

Celkem je hydrolyzováno devět molekul ATP, přičemž v rovnováze se uvolní devět molekul ADP a osm molekul fosfátu. Zbývající devátý fosfát se nachází v glyceraldehyd-3-fosfátu.

Regulace Calvinova cyklu

K aktivaci některých enzymů zapojených do reakcí je zapotřebí světlo. To nezahrnuje pouze enzym RuBisCO , který katalyzuje samotnou fixaci. Ale také enzymy v redukční části Calvinova cyklu (glyceraldehyd-3-fosfát dehydrogenáza) a v regenerační části (fruktóza-1,6-bisfosfát-fosfatáza, sedoheptulosa-1,6-bisfosfát-fosfatáza, sedoheptulosa-1,7 -bifosfát-fosfatáza a ribulóza-5-fosfátkináza). V čisté temnotě jsou tyto enzymy neaktivní, protože chybí energetické a redukční ekvivalenty potřebné k asimilaci. Aktivace probíhá prostřednictvím mechanismu systému ferredoxin-thioredoxin . V tomto případě, thioredoxin podle ferredoxinu z lehkých reakcí fotosyntézy v disulfidu (SS), - v dithiolu převedena (SH) tvar. Thioredoxin zase snižuje disulfidové můstky v různých enzymech, které jsou v důsledku toho aktivovány. Ve tmě se dithiolová forma enzymů oxiduje zpět na disulfidovou formu molekulárním kyslíkem. Tím vzniká voda.

Tvorba sacharidů v rostlinách

Po každých třech cyklech Calvinova cyklu může být molekula glyceraldehyd-3-fosfátu (GAP) odkloněna z Calvinova cyklu pro další syntézy. Centrálním produktem asimilace v chloroplastech rostlin je škrob, který se zpočátku ukládá do stromatu ve formě granulí (škrobových zrn). V případě potřeby se z tohoto meziskladu uvolní uhlohydráty ve formě triozových fosfátů, které se pak v cytoplazmě přemění na disacharid sacharózu . Sacharóza je nejdůležitější způsob dopravy sacharidů, které skrze sítové trubice z lýka prochází v zásobních orgánech nonphotosynthetic buněk (kořeny, hlízy, značka). Tam může být cukr dále použit nebo skladován. Obnova zahrnuje z. B. glykolýza nefotosyntetické tkáně (a fotosyntetické tkáně ve tmě) a syntéza celulózy , nukleotidů a dalších složek buněk obsahujících cukr. Při skladování se škrobová zrna (škrobové granule ) opět tvoří ve tvarech, které jsou charakteristické pro rostlinu a pletivo (kulovité, oválné, čočkovité, vřetenovité nebo tyčinkovité).

Typy fotosyntézy

Jak je uvedeno v provedené fotorespiraci , RubisCO má atmosférický CO 2 - parciální tlak neúčinný vzduch. C 4 rostliny a CAM rostliny tedy potlačit vedlejší reakce z předběžného kterým CO 2 . To umožňuje „ čerpadlo CO 2 poháněné ATP “. Katalyzován chloroplastickou pyruvát fosfát dikinázou, pyruvát (Pyr) fosfoenolpyruvát (PEP) je vytvořen jako primární akceptor CO 2 . Energie je investována ve formě ATP. Cytosolická PEP karboxyláza katalyzuje kondenzaci oxidu uhličitého ve formě hydrogenuhličitanu (HCO 3 - ) na PEP. Produktem je oxaloacetát C4 sloučeniny (OA).

  • v rostlinách C 4 je OA ve formě L malátu nebo L - aspartátu , transportovaných do sousedního buněčného typu, buněk svazkového obalu. Tam se převede zpět na OA a tato C4 sloučenina se dekarboxyluje. Uvolněný oxid uhličitý pak slouží jako substrát pro RuBisCO a je fixován, jak je vysvětleno výše.
  • V (obligátních) rostlinách CAM se OA redukuje na L- malát malátdehydrogenázou a poté se spotřebou energie skladuje ve vakuolách stejné buňky. Tyto procesy probíhají v noci. Během dne se uložený malát opět uvolní a dekarboxyluje analogicky k rostlinám C 4 . Fixace oxidu uhličitého pak odpovídá výše popsaným krokům.

Prostorové ( C4 rostliny) nebo dočasné (CAM rostliny) oddělení předfixace a spotřeby oxidu uhličitého v reakci RuBisCO vede k velmi vysokým lokálním parciálním tlakům CO 2, které působí proti fotorespiraci.

Pyruvát fosfát dikináza

Syntéza fosfoenolpyruvátu (vpravo) z pyruvátu (vlevo): reakční cyklus pyruvát-fosfát dikinázy. E-His: histidin spojený s enzymy

Konverze fosfoenolpyruvátu (PEP) na pyruvát, reakce glykolýzy , je tak exergonická, že ji nelze přímo zvrátit (tj. Použitím pouze jedné molekuly ATP). Fosforylovat pyruvátu na PEP, chloroplasty použít na pyruvát fosfát-dikinasového ( EC  2.7.9.1 ). Tento enzym má neobvyklou vlastnost aktivace fosfátové skupiny hydrolýzou ATP (na AMP). Mechanicky se to provádí přenosem pyrofosfátového zbytku (PP i ) na enzym a jeho následnou fosforolýzou podle schématu znázorněného na obrázku.

literatura

  • Hans Walter Heldt, Birgit Piechulla: Biochemie rostlin. 4. vydání. Akademické nakladatelství Spectrum, Heidelberg 2008, ISBN 978-3-8274-1961-3 .
  • Caroline Bowsher, Martin Steer, Alyson Tobin: Biochemie rostlin . Garland Science, New York / Abingdon 2008, ISBN 978-0-8153-4121-5 .

Viz také

Individuální důkazy

  1. ↑ z. B. Thomas D. Sharkey, objev kanonického cyklu Calvin-Benson , výzkum fotosyntézy, svazek 140, 2019, s. 235-252
  2. ^ J. Pierce, TJ Andrews GH Lorimer: Reakce meziproduktu rozdělení podle ribulozové-bisfosfát karboxyláz s rozdílnými substrátové specificity. Citováno 22. června 2017 .