ciclo di Calvin

Il ciclo di Calvin (anche ciclo di Calvin-Benson , ciclo di Calvin-Benson-Baaham (CBB) o bisfosfato ribulose ciclo ) è una sequenza ciclica di chimici reazioni attraverso cui l'anidride carbonica (CO 2 ) viene ridotta a glucosio ed assimilati . La via metabolica avviene nelle piante C 3 e con reazioni aggiuntive in tutti gli altri organismi fotosintetici ( fotoautotrofi ); è la loro reazione oscura . Serve anche moltiesseri chemautotrofi per l' assimilazione del carbonio dall'anidride carbonica. In analogia al ciclo dell'acido citrico , il ciclo di Calvin è anche conosciuto come ciclo riduttivo del pentoso fosfato . Il ciclo è stato scoperto dai biochimici statunitensi Melvin Calvin , Andrew A. Benson e James Alan Bassham tra il 1946 e la metà degli anni '50 e talvolta prende il nome da Benson e Calvin, o da tutti e tre i ricercatori.

Il ciclo di Calvin è costituito da diversi ciclicamente disposti enzimatici sottofasi e si svolge nel l' cloroplasto stroma nelle piante , ma nel citoplasma nei batteri . Le singole sottofasi possono essere suddivise in tre fasi: la fissazione della CO 2 , la riduzione del prodotto di fissazione primario ( 3-fosfoglicerato ) e la rigenerazione dell'accettore di CO 2 ( ribulosio-1,5-bisfosfato ).

Il NADPH , che viene ossidato a NADP + , viene utilizzato come agente riducente per la riduzione della CO 2 nel ciclo di Calvin . La riduzione è endorgonica , la fonte energetica è l' ATP , che libera energia scindendola in ADP e fosfato .

Negli organismi fotoautotrofi, NADPH e ATP sono formati dalla cosiddetta reazione alla luce della fotosintesi e resi disponibili per il ciclo di Calvin. Negli organismi chemioautotrofi, NADPH e ATP si formano attraverso le conversioni chimiche esoergoniche del loro metabolismo energetico .

Le singole fasi del ciclo

CO 2 di fissaggio

Ciclo di Calvin: Le tre fasi del ciclo di Calvin, 1 - fissazione di CO 2 , 2 - riduzione, 3 - rigenerazione

Nella prima fase del ciclo di Calvin, la CO 2 viene aggiunta al ribulosio-1,5-bisfosfato (RuBP 2 ) come molecola accettore dall'enzima chiave RuBisCO ; l'intermedio altamente instabile (3-cheto-2-carbossiarabinitolo 1,5-bisfosfato) si scompone spontaneamente in due molecole di 3-fosfoglicerato (3-PG), il primo intermedio rilevabile nelle piante C 3 .

Il prodotto di fissazione primario 3-fosfoglicerato non è solo un importante prodotto intermedio nel ciclo di Calvin, ma si verifica anche in altri punti importanti nell'accumulo e nella scomposizione del glucosio: gluconeogenesi o glicolisi nel citoplasma . Serve anche come precursore per costruire le riserve di amido nel cloroplasto . Prima che il 3-PG entri nelle reazioni menzionate, tuttavia, viene ridotto nella parte successiva del ciclo di Calvin nel cloroplasto a gliceraldeide-3-fosfato (abbreviato G3P ​​o GAP).

Riduzione del fissativo primario (3-fosfoglicerato)

Dopo la fosforilazione da parte di una chinasi e la riduzione da parte di una speciale gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (GAPDH; come riducente NADPH invece di NADH), si forma il metabolita della gluconeogenesi gliceraldeide-3-fosfato (GAP), un importante punto di diramazione. Poiché ad ogni ciclo viene fissata una molecola di CO 2 , una molecola del Triose GAP è disponibile per la biosintesi ogni tre cicli, ed è in equilibrio con il diidrossiacetone fosfato (DHAP). Entrambi sono anche conosciuti come triosi fosfati. Sono i primi carboidrati a presentarsi come un guadagno nell'assimilazione e possono sia

  • servono a formare l' amido polisaccaridico , che funge da sostanza di riserva , nello stroma dei cloroplasti delle piante o
  • Attraverso lo stadio intermedio diidrossiacetone fosfato (DHAP) e in cambio di fosfato inorganico (P i ), vengono scaricati nel citoplasma, dove vengono

Con il saccarosio, anche altre parti della pianta possono essere fornite di zucchero tramite il floema . Affinché il ciclo possa ricominciare, alcuni dei triosi fosfati devono essere rigenerati nell'accettore primario ribulosio-1,5-bisfosfato . La terza parte del ciclo di Calvin è usata per questo scopo.

Rigenerazione di Ribulose-1,5-BP

Nella terza parte, la chiusura dell'anello del ciclo di Calvin avviene per via riduttiva dei pentoso fosfati. Quando tre CO 2 sono fissate al ribulosio-1,5-bisfosfato (C 5 ), si formano di conseguenza sei triosi fosfati (C 3 ). Di questi però solo uno è un “reale” guadagno in assimilazione, degli altri cinque i tre ribulosio-1,5-bisfosfati consumati devono essere rigenerati.

Reazioni singole

CO 2 di fissaggio

La carbossilazione di ribulosio-1,5-bisfosfati ( 1 ) catalizzata da RuBisCO . Questo è in equilibrio con la sua forma endiolo ( 2 ) attraverso un tautomerismo cheto-enolo . La CO 2 si condensa su questo endiolo e forma il 2-carbossi-3-chetoarabinolo-1,5-bisfosfato ( 3 ), che viene scisso in due molecole di 3-fosfoglicerato ( 4 ) per idrolisi .

In dettaglio, il gruppo CO 2 viene aggiunto all'atomo C2 della forma enolica del ribulosio-1,5-bisfosfato. Un ipotetico 3-osso-acido legato all'enzima (arabinitolo; precisamente: 2-carbossi-3- cheto- D -arabinol-1,5-bisfosfato) si forma come un intermedio instabile che spontaneamente ( idrolizzato dall'acqua all'atomo C3 ) in Due molecole del precursore del triosio 3-fosfoglicerato (3-PG) si scindono. La suddetta arabinite (C 6 ) produce dapprima una molecola di D -3-fosfoglicerato (C 3 ) e un carbanione costituito da tre atomi di carbonio (anche C 3 ), che viene anch'esso convertito nel prodotto di fissazione primario fosfoglicerato per protonazione. Di conseguenza, vengono prodotte due molecole di fosfoglicerato al netto per anidride carbonica legata, una delle quali contiene il carbonio appena fissato dell'anidride carbonica.

Riduzione del fissativo primario (3-fosfoglicerato)

Il ciclo di Calvin in dettaglio.

Le fasi del percorso dal 3-fosfoglicerato alla gliceraldeide-3-fosfato sono simili a quelle della gluconeogenesi e sono catalizzate da isoenzimi nel cloroplasto. La reazione avviene in due sottofasi. Innanzitutto, il 3-fosfoglicerato viene attivato mediante fosforilazione a 1,3-bisfosfoglicerato. Per fare ciò, la chinasi catalizzatrice consuma energia sotto forma di ATP. Quindi l'1,3-bisfosfoglicerato può essere ridotto a gliceraldeide-3-fosfato (GAP) scindendo il residuo di fosfato appena introdotto. L'enzima catalizzatore è la gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi attivata dalla luce . In questa fase, il NADPH è richiesto come agente riducente. L'enzima citoplasmatico della gluconeogenesi, invece, lavora con il NADH come agente riducente.

Rigenerazione di Ribulose-1,5-BP

Nella riduttiva percorso pentoso fosfato , tre molecole GAP e due molecole DHAP vengono infine convertiti in tre C 5 molecole in una reazione ramificato sequenza tramite vari C 3 , C 4 , C 6 e C 7 intermedi zucchero . Questi vengono convertiti in ribulosio-5-fosfato e fosforilati con ATP a ribulosio-1,5-bisfosfato. Per questi processi sono necessarie soprattutto aldolasi , transchetolasi e fosfatasi .

Reazioni della via riduttiva del pentoso fosfato (per 3CO 2 ):

  • Aldolasi: GAP (C 3 ) + DHAP (C 3 ) → fruttosio-1,6-BP (C 6 )
  • Fruttosio-1,6-bisfosfato fosfatasi: fruttosio-1,6-BP + H 2 O → fruttosio-6-P + P i
  • Transchetolasi: Fruttosio-6-P (C 6 ) + GAP (C 3 ) → Eritrosio-4-P (C 4 ) + xilulosio-5-P (C 5 )
  • Aldolasi: Eritrosio-4-P (C 4 ) + DHAP (C 3 ) → Sedoeptulosio-1,7-BP (C 7 )
  • Sedoheptulosio-1,7-bisfosfato fosfatasi: Sedoheptulosio-1,7-BP + H 2 O → Sedoheptulosio-7-P + P i
  • Transchetolasi: Sedoheptulose-7-P (C 7 ) + GAP (C 3 ) → xilulosio-5-P (C 5 ) + ribosio-5-P (C 5 )
  • Rib5P epimerasi: 2 xilulosio-5-P (C 5 ) → 2 ribulosio-5-P (C 5 )
  • Rib5P isomerasi: Ribosio-5-P (C 5 ) → Ribulosio-5-P (C 5 )
  • Ribulosio-5-fosfato chinasi: 3 ribulosio-5-P (C 5 ) + 3 ATP → 3 ribulosio-1,5-BP (C 5 ) + 3 ADP

Equazione della somma del ciclo di Calvin

Per ogni tre CO 2 , devono essere utilizzati in totale nove ATP e sei NADPH.

Per la riduzione vengono utilizzate sei molecole di ATP e sei NADPH (sei molecole di acido glicerico 3-fosfato vengono ridotte a sei gliceraldeide-3-fosfato). Questo produce sei ADP, sei fosfati e sei NADP + . Gli altri tre ATP vengono utilizzati durante la rigenerazione dell'accettore (tre molecole di ribosio-5-P sono fosforilate a tre molecole di ribosio-1,5-BP) e si formano tre ADP.

Un totale di nove molecole di ATP vengono idrolizzate, con nove molecole di ADP e otto molecole di fosfato rilasciate nell'equilibrio. Il restante nono fosfato si trova nella gliceraldeide-3-fosfato.

Regolazione del ciclo di Calvin

La luce è necessaria per attivare alcuni degli enzimi coinvolti nelle reazioni. Questo non include solo l'enzima RuBisCO , che catalizza la fissazione stessa. Ma anche enzimi nella parte riduttiva del ciclo di Calvin (gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi) e nella parte rigenerativa (fruttosio-1,6-bisfosfato-fosfatasi, sedoheptulose-1,6-bisfosfato-fosfatasi, sedoheptulose-1,7 -bisfosfato- fosfatasi e ribulosio-5-fosfato chinasi). Nella pura oscurità, questi enzimi sono inattivi perché mancano l'energia e gli equivalenti di riduzione necessari per l'assimilazione. L'attivazione avviene tramite il meccanismo del sistema ferredossina-tioredossina . In questo caso, tioredossina da ferredossina dalle reazioni leggere di fotosintesi del disolfuro (SS) - nella forma ditiolo trasferito (SH). La tioredossina a sua volta riduce i ponti disolfuro nei vari enzimi, che di conseguenza vengono attivati. Al buio, la forma ditiolo degli enzimi viene ossidata di nuovo alla forma disolfuro dall'ossigeno molecolare. Questo crea acqua.

Formazione di carboidrati nelle piante

Dopo ogni tre cicli del ciclo di Calvin, una molecola di gliceraldeide-3-fosfato (GAP) può essere deviata dal ciclo di Calvin per ulteriori sintesi. Un prodotto centrale dell'assimilazione nei cloroplasti delle piante è l'amido, che inizialmente si deposita nello stroma sotto forma di granuli (grani di amido). Se necessario, carboidrati sotto forma di fosfati trioso vengono rilasciati da questo stoccaggio intermedio, che vengono poi convertiti nel disaccaride saccarosio nel citoplasma . Il saccarosio è la forma più importante di trasporto dei carboidrati, che attraverso i tubi del setaccio del floema passa negli organi di stoccaggio delle cellule non fotosintetiche (radici, tuberi, Mark). Lì lo zucchero può essere ulteriormente utilizzato o conservato. Il recupero include z. B. la glicolisi del tessuto non fotosintetico (e del tessuto fotosintetico al buio) e la sintesi di cellulosa , nucleotidi e altri componenti cellulari contenenti zucchero. Una volta immagazzinati, i granuli di amido ( granuli di amido ) si ricompongono nelle forme caratteristiche della pianta e del tessuto (sferico, ovale, lenticolare, fuso o bastoncello).

Tipi di fotosintesi

Come menzionato nella fotorespirazione eseguita, il RubisCO è a CO 2 atmosferica - aria inefficiente a pressione parziale . Le piante C 4 e le piante CAM quindi sopprimono la reazione secondaria prefissando la CO 2 . Ciò è reso possibile da una " pompa CO 2 azionata da ATP ". Catalizzato da una cloroplastica piruvato fosfato dichinasi, il piruvato (Pyr) fosfoenolpiruvato (PEP) si forma come accettore primario di CO 2 . L'energia viene investita sotto forma di ATP. Una carbossilasi PEP citosolica catalizza la condensazione dell'anidride carbonica sotto forma di idrogenocarbonato (HCO 3 - ) su PEP. Il prodotto è il composto C 4 ossalacetato (OA).

  • a C 4 -Piante OA è in forma di L malato o L - aspartato , trasportato in un tipo di cella adiacente, le cellule guaina fascio. Lì viene riconvertito in OA e questo composto C 4 viene decarbossilato. L'anidride carbonica rilasciata funge quindi da substrato per RuBisCO e viene fissata come spiegato sopra.
  • Negli impianti CAM (obbligati) , l'OA viene ridotto a L- malato da una malato deidrogenasi e quindi immagazzinato nei vacuoli della stessa cellula con consumo energetico. Questi processi avvengono di notte. Durante il giorno, il malato immagazzinato viene nuovamente rilasciato e decarbossilato analogamente alle piante C 4 . La fissazione dell'anidride carbonica corrisponde quindi alle fasi sopra descritte.

La separazione spaziale ( impianti C 4 ) o temporale (impianti CAM) della prefissazione e del consumo di anidride carbonica nella reazione RuBisCO determina pressioni parziali di CO 2 locali molto elevate che contrastano la fotorespirazione.

Piruvato fosfato dichinasi

Sintesi del fosfoenolpiruvato (a destra) dal piruvato (a sinistra): ciclo di reazione della piruvato-fosfato dichinasi. E-His: istidina legata all'enzima

La conversione del fosfoenolpiruvato (PEP) in piruvato, una reazione di glicolisi , è talmente esoergonica da non poter essere invertita direttamente (cioè utilizzando una sola molecola di ATP). Per fosforilare il piruvato in PEP, i cloroplasti utilizzano una piruvato fosfato dichinasi ( EC  2.7.9.1 ). Questo enzima ha l'insolita proprietà di attivare un gruppo fosfato attraverso l'idrolisi dell'ATP (ad AMP). Meccanicamente, questo è fatto trasferendo un residuo pirofosfato (PP i ) per l'enzima e la sua successiva fosforolisi secondo lo schema indicato in figura.

letteratura

  • Hans Walter Heldt, Birgit Piechulla: Biochimica vegetale. 4a edizione. Spectrum Academic Publishing House, Heidelberg 2008, ISBN 978-3-8274-1961-3 .
  • Caroline Bowsher, Martin Steer, Alyson Tobin: Biochimica delle piante . Garland Science, New York / Abingdon 2008, ISBN 978-0-8153-4121-5 .

Guarda anche

Evidenze individuali

  1. ↑ z. B. Thomas D. Sharkey, Scoperta del ciclo canonico Calvino-Benson , Ricerca sulla fotosintesi, Volume 140, 2019, pp. 235-252
  2. ^ J. Pierce, TJ Andrews GH Lorimer: Partizionamento intermedio di reazione da parte di carbossilasi ribulosio-bisfosfato con differenti specificità di substrato. Estratto il 22 giugno 2017 .