Calvinov ciklus

Calvinov ciklus ili Calvin-Benson-Basshamov ciklus je serija biohemijskih reakcija koje se odvijaju u stromi hloroplasta kod fotosintetičkih organizama. Ovim ciklusom fotoautotrofni i hemoautotrofni organizmi fiksiraju ugljik dioksid kao glukozu i vodu. Ovaj proces su otkrili američki naučnici Melvin Calvin, James Bassham i Andrew Benson sa Univerziteta u Berkeleyu, California.^[1] koristeći radioaktivni izotop ugljika-14. Calvinov ciklus spada u reakcije koje ne zavise od svjetlosti.

Pregled

Tokom procesa fotosinteze, svjetlosna energija se koristi za generisanje slobodne hemijske energije, koja se pohranjuje u vidu glukoze. Svjetlosno nezavisan Calvinov ciklus, također (pogrešno) poznat i kao tamna faza fotosinteze ili tamna reakcija, koristi energiju kratkoživućih elektronski pobuđenih nosioca da bi se ugljik dioksid i voda pretvorili u organske supstance.^[2] Dalje se te organske supstance koriste od strane organizama, ali i životinja koje se njima hrane. Ova serija reakcija se također naziva i fiksiranje ugljika. Ključni enzim u procesu je Rubisco (ribuloza-1,5-bisfosfat karboksilaza oksigenaza).

Enzimi u Calvinovom ciklusu su funkcionalno jednaki mnogim drugim enzimima koje se javljaju u drugim putanjama metabolizma poput glukoneogeneze i putanje pentoza fosfata, međutim ovi enzimi se nalaze u stromi hloroplasta umjesto unutar citoplazme ćelije, što izdvaja ove reakcije. Ovi enzimi su aktivni na svjetlosti (zato je pojam tamne reakcije pogrešan) ali i u prisustvu proizvoda iz svjetlosno zavisnih reakcija. Ove regulatorne funkcije sprječavaju da Calvinov ciklus završi sa ugljik dioksidom. Energija (u obliku ATPa) bi se u tom slučaju utrošila za vršenje ovih reakcija a ne bi se postigla nikakva dodatna produktivnost.^[3]^[4] Hall John E., Guyton A. C. (2006): Textbook of medical physiology, 11th edition. Elsevier Saunders, St. Louis, Mo, ISBN 0-7216-0240-1.</ref>^[5]^[6]

U slijedećim reakcijama, hemijske supstance (fosfati i karboksilne kiseline) postoje u ravnoteži pored njihovih različitih ioniziranih stanja, što je određeno pH vrijednošću. Sumarna jednačina Calvinovog ciklusa je slijedeća:

3 CO₂ + 6 NADPH + 5 H₂O + 9 ATP → gliceraldehid-3-fosfat (G3P) + 2 H⁺ + 6 NADP⁺ + 9 ADP + 8 Pi

ili

3 CO₂ + 6 C₂₁H₂₉N₇O₁₇P₃ + 5 H₂O + 9 C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃ → C₃H₅O₃-PO₃^2- + 2 H⁺ + 6 NADP⁺ + 9 C₁₀H₁₅N₅O₁₀P₂ + 8 Pi

Potrebno je napomenuti da heksoza (šestougljični šećer) nije proizvod Calvinovog ciklusa. Iako se u mnogim izvorima, među proizvodima fotosinteze nalazi C₆H₁₂O₆, ovo navođenje je više zbog dogovora koji se odnosi na jednačinu ćelijskog disanja, kada se šestougljični šećeri oksidiraju u mitohondrijama. Ugljikohidrati kao proizvodi Calvinovog ciklusa su molekule trougljičnog šećera fosfata ili trioza fosfata, odnosno tačnije, gliceraldehid-3-fosfat (G3P).

Faze ciklusa

Enzim Rubisco katalizira karboksilaciju ribuloze-1,5-bisfosfata, supstancu sa 5 atoma ugljika i ugljik dioksida putem dvostepene reakcije dajući međuproizvod sa šest atoma ugljika.^[7] Nastali međuproizvod se vrlo brzo raspada na dvije molekule glicerat-3-fosfata^[8], spoja sa 3 atoma ugljika (poznat i kao: 3-fosfoglicerat, 3-fosfoglicerinska kiselina, 3PGA).
Enzim fosfoglicerat kinaza katalizira fosforilaciju 3PGA sa ATP (koji je proizveden u svijetloj fazi fotosinteze). 1,3-bisfosfoglicerat (glicerat-1,3-bisfosfat) i ADP su proizvodi. (Međutim, treba napomenuti da dvije molekule PGA se prave za svaku molekulu CO₂ koja je ušla u ciklus, tako da ovaj korak iskorištava 2ATP po svakom fiksiranom CO₂.)
Enzim G3P dehidrogenasa katalizira redukciju 1,3BPGA sa NADPH (koji je drugi proizvod svijetle faze). Gliceraldehid 3-fosfat (također poznat i kao G3P, GP, TP, PGAL) je proizvod reakcije, a sam NADPH se oksidira i postaje NADP⁺. Također, dva NADPH se iskorištavaju po jednoj fiksiranoj molekuli CO₂.

Pojednostavljene verzije Calvinovog ciklusa obuhvataju preostale korake, osim posljednjeg, u jedan općeniti korak - regeneracija RuBP - tj. iz njega bi izašla jedna molekula G3P.

Izomeraza trioza fosfata pretvara neke molekule G3P reverzibilno u dihidroksiaceton fosfat (DHAP), odnosno molekula sa 3 atoma ugljika.
Aldolaza i fruktoza-1,6-bisfosfataza pretvara G3P i DHAP u fruktozu 6-fosfat (F6P, 6 atoma ugljika). Fosfatni ion se gubi u rastvoru.
Zatim slijedi fiksiranje druge molekule CO₂ kojim se generira dodatna dva G3P.
Iz F6P, enzim transketolaza uklanja dva atoma ugljika čime nastaje eritroza-4-fosfat (E4P). Dva ugljika sa transketolaze se prenose u G3P, te tako nastaje ketoza ksiluloza-5-fosfat (Xu5P).
E4P i DHAP (koji je nastao iz jedne od G3P putem drugog fiksiranja CO₂) se spajaju u sedoheptulozu-1,7-bisfosfat (7 atoma ugljika) djelovanjem enzima aldolaze.
Sedoheptuloza-1,7-bisfosfataza (jedan od samo tri enzima u ciklusu koji su jedinstveni za biljke) pretvaraju sedoheptulozu-1,7-bisfosfat u sedoheptulozu-7-fosfat, ispuštajući neorganski fosfatni ion u rastvor.
Fiksiranje treće molekule CO₂ generiše dodatna dva G3P. Ketoza S7P otpušta dva atoma ugljika djelovanjem transketolaze, dajući ribozu-5-fosfat (R5P) a dva atoma ugljika ostaju na transketolazi i prenose se na jednu molekulu G3P dajući još jednu molekulu Xu5P. Ovaj korak ostavlja jednu molekulu G3P kao proizvod fiksiranjem 3 atoma CO₂ sa generisanjem tri pentoze koje se mogu dalje konvertovati u Ru5P.
R5P se konverzuje u ribulozu-5-fosfat (Ru5P, RuP) putem isomeraze fosfopentoze. Xu5P se konvertuje u RuP djelovanjem fosfopentoza epimeraze.
Na kraju, fosforibulokinaza (još jedan unikatni enzim u toku procesa) fosforizira RuP u RuBP, ribulozu-1,5-bisfosfat, te se time Calvinov ciklus zatvara. Ovaj korak zahtjeva unos jedne molekule ATP.

Tako od 6 nastalih molekula G3P i tri molekule RuBP (5C) daju ukupno 15 atoma ugljika, a samo jedan od njih ostaje dostupan za daljnju konverziju u heksozu. Ovo zahtijeva 9 molekula ATP i 6 NADPH na svake 3 molekule CO₂.

Rubisco također djeluje i na O₂ umjesto sa CO₂ pri fotorespiraciji. Brzina fotorespiracije je viša na višim temperaturama. Proces fotorespiracije pretvara RuBP u 3GPA i 2-fosfoglikolat, molekulu sa 2 atoma ugljika koja se može prevesti preko glikolata i glioksalata u glicin. Preko raspadanja glicina i tetrahidrofolata, dva glicina se pretvaraju u serin i CO₂. Serin se ponovo može prevesti nazad u 3-fosfoglicerat. Međutim, samo 3 od 4 atoma ugljika iz dva fosfoglikolata može biti kovertovan nazad u 3PGA. Time se može pokazati da fotorespiracije ima veoma negativne posljedice po biljku, jer umjesto fiksiranja ugljik dioksida, ovaj proces vodi gubitku kiseonika. Fiksiranje C4 ugljika se razvilo u naprednu fotorespiraciju, ali se ovo može dešavati u određenim biljkama koje žive u veoma toplim i tropskim područjima.

Katalizirana karbonilacija pomoću RuBisCO ribuloza-1,5-bisfosfataze
(1). Keto-enol tautomerizam, u endiolnom obliku.
(2) U ravnoteži CO₂ se kondenzira na endiolu i tvori 2-karboksi-3-ketoarabinol-1,5-bisfosfat,
(3) koji hidrolizira u dva molekula 3-fosfoglicerata
(4) i biva razgrađen.

Proizvodi Calvinovog ciklusa

Direktni proizvodi Calvinovog ciklusa su gliceraldehid-3-fosfat (G3P) i voda. Dvije molekule G3P (odnosno jedna molekula F6P) koje su izašle iz ciklusa se koriste za pravljenje većih ugljikohidrata. U jednostavnim verzijama Calvinovog ciklusa, one se mogu konvertovati u F6P ili F5P nakon izlaska, ali i ovo pretvaranje je dio ciklusa.

Heksoza izomeraza pretvara oko pola molekula F6P u glukoza-6-fosfat. One se defosforiziraju, a glukoza se može koristiti za proizvodnju škroba, a on se sprema, na primjer u krompir, ili se proizvodi celuloza koja je neophodna za pravljenje ćelijskih zidova u biljnim ćelijama. Glukoza i fruktoza formiranju sukrozu, ne reducirajući šećer, koji je, za razliku od glukoze, stabilan šećer pogodan za čuvanje.

Također pogledajte

Reference

^ Bassham J, Benson A, Calvin M (1950): The path of carbon in photosynthesis Arhivirano 19. 2. 2009. na Wayback Machine, J Biol Chem 185 (2): 781–7.
^ Campbell N. A., Williamson B., Heyden R. J.(2006): http://www.phschool.com/el_marketing.html Biology: Exploring Life. Pearson Prentice Hall, Boston, Massachusetts, ISBN 0-13-250882-6
^ Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Ed. (2005): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 9958-9344-1-8.
^ Nelson D. L., Cox M. M. (2013): Lehninger Principles of Biochemistry. W. H. Freeman and Co., ISBN 978-1-4641-0962-1.
^ Kapur Pojskić L., Ed. (2014): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, 2. izdanje. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 978-9958-9344-8-3.
^ Međedović S., Maslić E., Hadžiselimović R. (2000): Biologija 2. Svjetlost, Sarajevo, ISBN 9958-10-222-6.
^ "Fotosinteza". Arhivirano s originala, 5. 12. 2008. Pristupljeno 16. 10. 2009.
^ Campbell, Reece: Biology with MasteringBiology, 8. izd., Benjamin Cummings, 7. decembar 2007, str. 198, ISBN 978-0-321-54325-7

[1] Bassham J, Benson A, Calvin M (1950): The path of carbon in photosynthesis Arhivirano 19. 2. 2009. na Wayback Machine, J Biol Chem 185 (2): 781–7.

[2] Campbell N. A., Williamson B., Heyden R. J.(2006): http://www.phschool.com/el_marketing.html Biology: Exploring Life. Pearson Prentice Hall, Boston, Massachusetts, ISBN 0-13-250882-6

[3] Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Ed. (2005): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 9958-9344-1-8.

[4] Nelson D. L., Cox M. M. (2013): Lehninger Principles of Biochemistry. W. H. Freeman and Co., ISBN 978-1-4641-0962-1.

[5] Kapur Pojskić L., Ed. (2014): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, 2. izdanje. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 978-9958-9344-8-3.

[6] Međedović S., Maslić E., Hadžiselimović R. (2000): Biologija 2. Svjetlost, Sarajevo, ISBN 9958-10-222-6.

[7] "Fotosinteza". Arhivirano s originala, 5. 12. 2008. Pristupljeno 16. 10. 2009.

[8] Campbell, Reece: Biology with MasteringBiology, 8. izd., Benjamin Cummings, 7. decembar 2007, str. 198, ISBN 978-0-321-54325-7

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]