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.Bassham J, Benson A, Calvin M (1950): The path of carbon in photosynthesis , J Biol Chem 185 (2): 781–7. koristeći radioaktivni izotop ugljika-14. Calvinov ciklus spada u reakcije koje ne zavise od svjetlosti.
mini|center|600px|Calvinov ciklus

 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.Campbell N. A., Williamson B., Heyden R. J.(2006): http://www.phschool.com/el_marketing.html  Biology: Exploring Life. Pearson Prentice Hall, Boston, Massachusetts,  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.Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R.,  Ed. (2005): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, .Nelson D. L., Cox M. M. (2013): Lehninger Principles of Biochemistry. W. H. Freeman and Co., . Hall John E., Guyton A. C. (2006): Textbook of medical physiology, 11th edition. Elsevier Saunders, St. Louis, Mo, .</ref>Kapur Pojskić L., Ed. (2014): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, 2. izdanje. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, .Međedović S., Maslić E., Hadžiselimović R. (2000): Biologija 2. Svjetlost, Sarajevo, .

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-PO32- + 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. Nastali međuproizvod se vrlo brzo raspada na dvije molekule glicerat-3-fosfataCampbell, Reece: Biology with MasteringBiology, 8. izd., Benjamin Cummings, 7. decembar 2007, str. 198, , 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.
mini|700px|centar|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.
mini|700px|mini|centar|Detalji Calvinovog ciklusa

 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 
 Ciklus limunske kiseline
 Ćelijsko disanje

 Reference 

Kategorija:Biohemija
Kategorija:Metabolizam
Kategorija:Biohemijske reakcije
Kategorija:Fotosinteza