Calvin döngüsü

Calvin döngüsü (aynı zamanda Calvin-Benson döngüsü , Calvin-Benson Baaham çevrimi (CBB) veya ribuloz bifosfat döngüsü ) bir siklik dizisidir kimyasal içinden reaksiyonlar karbon dioksit (CO ₂ ) olan düşük için glikoz ve asimile . Metabolik yol yer alır Cı ₃ bitkiler ve diğer ek reaksiyonlar fotosentetik ( fotoototrofik ) organizmalar; bu onların karanlık tepkisidir . Ayrıca birçok kişiye hizmet ediyorchemautotrophic için varlıklar özümleme ve karbon karbon dioksitten. Sitrik asit döngüsüne benzer şekilde Calvin döngüsü, indirgeyici pentoz fosfat döngüsü olarak da bilinir . Döngü, ABD'li biyokimyacılar Melvin Calvin , Andrew A. Benson ve James Alan Bassham tarafından 1946 ile 1950'lerin ortaları arasında keşfedildi ve bazen Benson ve Calvin'den veya üç araştırmacının hepsinden sonra adlandırılır.

Calvin döngüsü çeşitli siklik düzenlenmiş oluşur enzimatik alt adımları ve yer alır kloroplast stroma bitkilerde , ancak sitoplazma bakterilerde . CO fiksasyonu: tek tek alt adımlar, üç aşamada ayrılabilir ₂ , birinci sabitleme ürününün indirgenmesi ( 3-fosfogliserat ) ve CO yenilenmesi ₂ alıcısı ( ribuloz-1,5-bifosfat ).

NADPH olup, oksitlenmiş NADP için ⁺ kullanılır olarak indirgeyici madde CO ₂ Calvin döngüsü azalma . İndirgeme endergoniktir , enerji kaynağı, enerjiyi ADP ve fosfata bölerek serbest bırakan ATP'dir .

Fotoototrofik organizmalarda, NADPH ve ATP, fotosentezin sözde ışık reaksiyonuyla oluşturulur ve Calvin döngüsü için kullanılabilir hale getirilir. Kemoototrofik organizmalarda, NADPH ve ATP, enerji metabolizmalarının ekzergonik kimyasal dönüşümleri yoluyla oluşturulur .

Döngünün bireysel adımları

CO ₂ sabitleme

Calvin döngüsü: Calvin döngüsü üç faz, 1 - CO ₂ sabitleme, 2 - redükleme, 3 - rejenerasyon

Calvin döngüsü birinci aşamasında, CO ₂ ilave edilir için ribuloz-1,5-bisfosfat (-ünite RuBP ₂ , bir alıcı gibi) molekül anahtar tarafından enzim RUBISCO ; yüksek ölçüde kararsız ara ürün (3-keto-2-carboxyarabinitol 1,5-bifosfat) ayırır kendiliğinden, 3-fosfogliserat (3-PG), ilk tespit ara madde iki moleküllere Cı ₃ bitki .

Birincil sabitleme ürün 3-fosfogliserat sadece Calvin döngüsünde önemli bir ara ürün olan, ama aynı zamanda glikoz birikmesi ve arıza diğer önemli nokta ortaya çıkar: glukoneojenezin veya glikoliz içinde sitoplazma . Aynı zamanda kloroplastta nişasta depolarının oluşturulması için bir öncü görevi görür . 3-PG bahsedilen reaksiyonlara girmeden önce, ancak, kloroplasttaki Calvin döngüsünün sonraki bölümünde gliseraldehit-3-fosfata (kısaltılmış G3P veya GAP) indirgenir.

Birincil sabitleme ürününün azaltılması (3-fosfogliserat)

Bir kinaz tarafından fosforilasyon ve özel bir gliseraldehit-3-fosfat dehidrojenaz (GAPDH; NADH yerine indirgeyici NADPH olarak) ile indirgeme işleminden sonra , önemli bir dal noktası olan glukoneogenez metaboliti gliseraldehit-3-fosfat (GAP) oluşur. CO bir molekülü yana _{2 olduğu} sabit , her çevrimde, bir trioz GAP molekülü her üç döngüsünden sonra biyolojik sentezi için mevcut olan ve dihidroksiaseton fosfat (DHAP) ile denge halindedir. Her ikisi de trioz fosfatlar olarak bilinir. Asimilasyonda kazanç olarak ortaya çıkan ilk karbonhidratlardır ve

• bitkilerin kloroplastlarının stromasında yedek madde olarak görev yapan polisakkarit nişastayı oluşturmaya hizmet eder veya
• Ara aşama dihidroksiaseton fosfat (DHAP) aracılığıyla ve inorganik fosfat (P _i ) karşılığında sitoplazmaya boşaltılırlar ve burada yer alırlar.
  • dahil edilen glikoliz ve glukoneogenezde veya
  • taşıma şekeri sakarozundan (şeker kamışı; aşağıya bakınız) sitozolik sentezi de
  • hücre duvarı malzemesi selülozunun sentezine hizmet edebilir.

Sakkaroz ile bitkinin diğer kısımlarına da floem yoluyla şeker sağlanabilir . Döngünün yeniden başlaması için, bazı trioz fosfatların birincil alıcı ribuloz-1,5-bifosfata rejenere edilmesi gerekir . Calvin döngüsünün üçüncü kısmı bu amaç için kullanılır.

Ribuloz-1,5-BP'nin Yenilenmesi

Üçüncü bölümde, Calvin döngüsünün halka kapanması indirgeyici pentoz fosfat yolu ile gerçekleşir. Üç CO zaman _2'dir sabit ribuloz-1,5-bisfosfat (C ₅ ), altı trioz fosfat (Cı- ₃ ) sonuç olarak oluşturulmaktadır . Ancak bunlardan sadece biri asimilasyonda "gerçek" bir kazançtır, diğer beşinden tüketilen üç ribuloz-1,5-bifosfatın yeniden üretilmesi gerekir.

Tek reaksiyonlar

CO ₂ sabitleme

RuBisCO tarafından katalize edilen ribuloz-1,5-bifosfatların ( 1 ) karboksilasyonu . Bu, bir keto-enol tautomerizmi yoluyla endiol formu ( 2 ) ile dengededir . CO ₂ Bu endiol yoğuşarak form 2-karboksi-3-ketoarabinol-1,5-bifosfat ( 3 olan), bölme 3-fosfogliserat (iki moleküllere 4 ) hidroliz ile .

Ayrıntılı olarak, CO ₂ grubu ribuloz-1,5-bisfosfat Enol formunun C2 atomuna eklenir. Bir enzime bağlı, varsayımsal 3-okso-asit (arabinitol; tam olarak: 2-karboksi-3-keto- D -arabinol-1,5-bisfosfat), kendiliğinden (C3 atomunda su ile hidrolize olan) kararsız bir ara madde olarak oluşur. ) içinde Trioz öncüsü 3-fosfogliseratın (3-PG) iki molekülü parçalanır. Yukarıda bahsedilen arabinite (Cı- ₆ ), ilk üreten bir molekül D -3-fosfogliserat (Cı- ₃ ) ve bir karbanyon (aynı zamanda Cı- ₃ ) üç karbon atomundan oluşan da protonasyon ile primer sabitleme ürün fosfogliserattan dönüştürülür. Sonuç olarak, bağlı karbon dioksit başına net olarak iki molekül fosfogliserat üretilir, bunlardan biri karbon dioksitin yeni sabitlenmiş karbonunu içerir.

Birincil sabitleme ürününün azaltılması (3-fosfogliserat)

Calvin döngüsü ayrıntılı olarak.

3-fosfogliserattan gliseraldehit-3-fosfata giden yoldaki adımlar, glukoneogenezdekine benzer ve kloroplasttaki izoenzimler tarafından katalize edilir . Reaksiyon iki alt adımda gerçekleşir. İlk olarak, 3-fosfogliserat, fosforilasyon ile 1,3-bifosfogliserata aktive edilir . Bunu yapmak için katalize edici kinaz , ATP formunda enerji tüketir. Daha sonra 1,3-bisfosfogliserat, yeni eklenen fosfat kalıntısını ayırarak gliseraldehit-3-fosfata (GAP) indirgenebilir. Katalizör enzim, ışıkla aktive olan gliseraldehit-3-fosfat dehidrojenazdır . Bu adımda, indirgeyici ajan olarak NADPH gereklidir. Glukoneogenezin sitoplazmik enzimi ise indirgeyici ajan olarak NADH ile çalışır.

Ribuloz-1,5-BP'nin Yenilenmesi

İndirgeyici olarak pentoz fosfat yolu , üç GAP molekülleri ve iki DHAP moleküllerdir son üç C dönüştürülen ₅ molekülleri bir dallanmış bir reaksiyon dizisi çeşitli C üzerinden ₃ , C ₄ , C ₆ ve C ₇ şeker ara maddeler . Bunlar ribuloz-5-fosfata dönüştürülür ve ATP ile ribuloz-1,5-bifosfata fosforile edilir. Her şeyden önce aldolazlar , transketolazlar ve fosfatazlar bu işlemler için gereklidir .

(CH3hCO için indirgeyici pentoz fosfat yolu reaksiyonları ₂ ):

• Aldolaz: GAP (C ₃ ) + DHAP (C ₃ ) → fruktoz-1,6-BP (C ₆ )
• Fruktoz-1,6-bisfosfat fosfataz: fruktoz-1,6-BP + H ₂ O → früktoz-6-P + U _i
• Transketolaz: Fruktoz-6-P (C ₆ ) + GAP (C ₃ ) → Eritroz-4-P (C ₄ ) + ksilüloz-5-P (C ₅ )
• Aldolaz: Eritroz-4-P (C ₄ ) + DHAP (C ₃ ) → Sedoheptuloz-1,7-BP (C ₇ )
• Sedoheptuloz-1,7-bisfosfat fosfataz: sedoheptuloz-1,7-BP + H ₂ O → sedoheptuloz-7-P + U _i
• Transketolaz: Sedoheptuloz-7-P (C ₇ ) + GAP (C ₃ ) → ksilüloz-5-P (C ₅ ) + riboz-5-P (C ₅ )
• Rib5P epimeraz: 2 ksilüloz-5-P (C ₅ ) → 2 ribuloz-5-P (C ₅ )
• Rib5P izomeraz: Riboz-5-P (C ₅ ) → Ribuloz-5-P (C ₅ )
• Ribuloz-5-fosfat kinaz: 3 ribuloz-5-P (C ₅ ) + 3 ATP → 3 ribuloz-1,5-BP (C ₅ ) + 3 ADP

Calvin döngüsünün toplam denklemi

${\ displaystyle \ matrm {3 \ CO_ {2} +6 \ NADPH + 6 \ H ^ {+} + 9 \ ATP + 5 \ H_ {2} O \ longrightarrow}}$ ${\ displaystyle \ matematik {GAP + 6 \ NADP ^ {+} + 9 \ ADP + 8 \ P_ {i}}}$

Her üç CO ₂ , dokuz ATP ve altı NADPH toplam kullanılmalıdır.

İndirgeme için altı molekül ATP ve altı NADPH kullanılır (altı gliserik asit 3-fosfat molekülü altı gliseraldehit-3-fosfata indirgenir). Bu, altı ADP, altı fosfat ve altı NADP ⁺ üretir . Diğer üç ATP, alıcının rejenerasyonu sırasında tüketilir (üç molekül ribuloz-5-P, üç molekül ribuloz-1,5-BP'ye fosforile edilir) ve üç ADP oluşur.

Toplam dokuz ATP molekülü hidrolize edilir, dengede dokuz molekül ADP ve sekiz molekül fosfat salınır. Kalan dokuzuncu fosfat, gliseraldehit-3-fosfatta bulunur.

Calvin döngüsünün düzenlenmesi

Reaksiyonlarda yer alan bazı enzimleri aktive etmek için ışık gereklidir. Bu, yalnızca fiksasyonun kendisini katalize eden enzim RuBisCO'yu içermez . Ama aynı zamanda Calvin döngüsünün indirgeyici kısmındaki (gliseraldehit-3-fosfat dehidrojenaz) ve yenileyici kısımda (fruktoz-1,6-bifosfat-fosfataz, sedoheptuloz-1,6-bisfosfat-fosfataz, sedoheptuloz-1,7) enzimler de bulunur. -bifosfat- Fosfataz ve ribuloz-5-fosfat kinaz). Saf karanlıkta, bu enzimler inaktiftir çünkü asimilasyon için gerekli olan enerji ve indirgeme eşdeğerleri eksiktir. Aktivasyon, ferredoksin-tioredoksin sisteminin mekanizması aracılığıyla gerçekleşir . Bu durumda, disülfidin (SS) fotosentezinin hafif reaksiyonlarından ferredoksin tarafından tioredoksin - ditiyol transfer (SH) formunda. Tioredoksin, çeşitli enzimlerdeki disülfid köprülerini azaltır ve bu da sonuç olarak aktive olur. Karanlıkta, enzimlerin ditiol formu moleküler oksijen tarafından tekrar disülfid formuna oksitlenir. Bu su oluşturur.

Bitkilerde karbonhidrat oluşumu

Calvin döngüsünün her üç çalışmasından sonra, daha fazla sentez için bir gliseraldehit-3-fosfat (GAP) molekülü Calvin döngüsünden saptırılabilir. Bitkilerin kloroplastlarındaki merkezi bir asimilasyon ürünü , başlangıçta stromada granüller (nişasta taneleri) şeklinde biriken nişastadır. Gerekirse, trioz fosfat formunda karbonhidratlar daha sonra dönüştürülen bu ara depolama, salınan sitoplazma için disakkarit sükroz . Sakaroz aracılığıyla karbonhidrat ulaştırma, en önemli bir elek borular arasında floem nonphotosynthetic hücreleri (örneğin, kökler, yumrular, Marka) depolama organlarında geçer. Orada şeker daha fazla kullanılabilir veya saklanabilir. Kurtarma, z'yi içerir. B. fotosentetik olmayan dokunun (ve karanlıkta fotosentetik dokunun) glikolizi ve selüloz , nükleotidler ve diğer şeker içeren hücre bileşenlerinin sentezi . Saklandığında nişasta taneleri (nişasta granülleri ) tekrar bitki ve dokuya özgü şekillerde (küresel, oval, merceksi, iğsi veya çubuk şeklinde) oluşur.

Fotosentez türleri

Belirtildiği gibi fotorespirasyon yürütülür, RUBISCO atmosferik CO olan ₂ - kısmi basıncı yetersiz hava. Cı- ₄ bitkileri ve CAM bitkileri bu nedenle ön-sabitleme CO yan reaksiyonu bastırmak ₂ . Bu, "ATP odaklı CO ile mümkün olmaktadır ₂ pompa". Bir kloroplastik piruvat fosfat dikinaz ile katalize, piruvat (Pir) fosfoenolpiruvat (PEP), birincil ortak olarak oluşturulduğu ₂ alıcısı . Enerji, ATP şeklinde yatırılır. Bir sitozolik PEP karboksilaz, karbon dioksitin PEP üzerinde hidrojen karbonat (HCO ₃ ^- ) formunda yoğunlaşmasını katalize eder . Ürün C ₄ bileşiği, oksaloasetat (OA).

• içerisinde C ₄ -Bitkiler OA formunda olan L malat ya da L - aspartat bitişik bir hücre tipi, kılıf hücrelerinde taşınan. O Orada OA içine dönüştürülen geri döndü ve bu C ₄ bileşik dekarboksillenir. Serbest bırakılan karbon dioksit daha sonra RuBisCO için bir substrat görevi görür ve yukarıda açıklandığı gibi sabitlenir.
• (zorunlu) CAM tesislerinde , OA, bir malat dehidrojenaz tarafından L- malat'a indirgenir ve daha sonra enerji tüketimi ile aynı hücrenin vakuollerinde depolanır. Bu işlemler geceleri gerçekleşir. Gün boyunca depolanmış malat tekrar verilir ve dekarboksile Cı benzer şekilde ₄ bitki. Karbondioksitin sabitlenmesi daha sonra yukarıda açıklanan adımlara karşılık gelir.

Nedeniyle uzaysal (C ₄ karbon dioksit önceden tespit ve tüketim ayırma tesisleri) ya da zamansal (CAM bitkileri) RUBISCO reaksiyonu, çok yüksek bir CO ₂ kısmi basıncı lokal olarak ortaya çıkar ki engelleyebilen fotorespirasyon.

Piruvat Fosfat Dikinaz

Piruvattan (solda) fosfoenolpiruvatın (sağda) sentezi: piruvat-fosfat dikinazın reaksiyon döngüsü. E-His: enzime bağlı histidin

Bir glikoliz reaksiyonu olan fosfoenolpiruvatın (PEP) piruvata dönüşümü o kadar ekzergoniktir ki doğrudan tersine çevrilemez (yani sadece bir ATP molekülü kullanılarak). Piruvatı PEP'e fosforile etmek için kloroplastlar bir piruvat fosfat dikinaz kullanır ( EC  2.7.9.1 ). Bu enzim, ATP hidrolizi (AMP'ye) yoluyla bir fosfat grubunu aktive etme gibi olağandışı bir özelliğe sahiptir. Mekanik olarak, bu pirofosfat kalıntı (PP aktarılmasıyla yapılır _I enzim ve şekilde gösterilen şemaya uygun olarak daha sonra fosforoliz için).

Edebiyat

• Hans Walter Heldt, Birgit Piechulla: Bitki biyokimyası . 4. baskı. Spektrum Akademik Yayınevi, Heidelberg 2008, ISBN 978-3-8274-1961-3 .
• Caroline Bowsher, Martin Steer, Alyson Tobin: Bitki Biyokimyası . Garland Science, New York / Abingdon 2008, ISBN 978-0-8153-4121-5 .

Ayrıca bakınız

• fotosentez
• fotorespirasyon
• karbondioksit fiksasyonu

Bireysel kanıt

1. ↑ z. B. Thomas D. Sharkey, Kanonik Calvin – Benson döngüsünün keşfi , Fotosentez Araştırması, Cilt 140, 2019, s. 235-252
2. ^ J. Pierce, TJ Andrews GH Lorimer: Farklı substrat özgüllükleri olan ribuloz-bifosfat karboksilazlarla reaksiyon ara bölümlenmesi. 22 Haziran 2017'de alındı .