Calvini tsükkel

Calvini tsükkel ehk Calvini-Bensoni tsükkel ehk Calvini-Bensoni-Basshami tsükkel on kõrgemate taimede kloroplastides tsükliliselt toimuvate fotosünteesi pimedusstaadiumi ensümaatiliste reaktsioonide jada, mis toimub kloroplasti stroomas. Protsessi käigus seotakse õhulõhede kaudu taimesse sisenenud CO2 ning moodustatakse sahhariide, kasutades valgusstaadiumi reaktsioonide tulemusena tekkinud kõrge energiaga NADPH ja ATP molekule. Ühe Calvini tsükli ringiga fikseeritakse üks CO2 molekul, milleks kulub 3 ATP ja 2 NADPH molekuli, mistõttu ühe glükoosi molekuli loomiseks peab Calvini tsükkel tegema kuus ringi.
Pimedusstaadiumiks nimetatakse osa fotosünteesi protsessist, mille juures ei ole valguse olemasolu vajalik. Calvini tsükli kõrvalsaadusena moodustunud hapnik loob obligatoorse keskkonna Maa elusorganismidele, samuti on pimedusstaadiumi jooksul tekkinud monosahhariid glükoos aluseks terve biosfääri toiduahelale, olles püsisoojaste loomade eelistatud energiaallikas.
Protsessis eristatakse kolme olulist etappi: karboksüülimine ehk süsiniku sidumine, redutseerimine ning regenereerimine ehk süsiniku taastekitamine. Selle jooksul toimub CO2 fikseerimine RuBisCo reaktsioonis, 3-fosfoglütseraadi redutseerumine suhkruteks ning ribuloos-1,5-bisfosfaadi regenereerimine. Reaktsioonideks vajalikku vesinikku saadakse Calvini tsükli jaoks veest ja väävelvesiniku fotolüüsist.
Ajalugu.
Calvini tsükli olemuse tegid kindlaks Melvin Calvin, Andrew Benson ja James Bassham 1950. aastal. Melvin Calvin pälvis tehtud töö ning tsükli mõtestamise eest 1961. aastal Nobeli auhinna. Tema eksperiment nägi ette radioaktiivse süsiniku 14C kasutamist märgisena, eesmärgiga kaardistada süsiniku teekond läbi taime terve fotosünteesi jooksul. Vaadeldi radioaktiivse süsiniku teekonda alates atmosfäärse süsinikdioksiidi absorptsioonist selle muundumiseni süsivesikuteks. Calvini ja tema meeskonna eksperimendis kasutati märgise jälgimiseks Chlorella kultuuri. Esimesi süsinikdioksiidi fikseerimise saadusi analüüsiti paberkromatograafia ja autoradiograafia abil.
Protsess.
Karboksüülimine.
Karboksüülimise ehk süsiniku sidumise etapi eesmärgiks on süsiniku ja hapniku aatomite sidumine süsivesiku eelühenditesse. Seda protsessi katalüüsib oluline ensüüm ribuloos bisfosfaadi karboksülaas/oksügenaas ehk RuBisCo. Tegemist on levinuima ensüümiga maakeral. Taimedes on RuBisCo multimeerne valk, mille koosseis on L8S8, täpsemalt 8 suurt subühikut (L, 477 aminohappejääki) ning 8 väikest subühikut (S, 123 aminohappejääki). Sealjuures ei ole väikese subühiku spetsiifiline otstarve veel siiani selge, kuid on võimalik, et nende subühikute omavahelised interaktsioonid reguleerivad katalüüsi.
Süsiniku sidumisel toimub süsihappegaasi fikseerimine 5-süsinikulise sahhariidi ribuloos-bisfosfaadi RuBP vahendusel. See seob enda külge ensüümi RuBisCo. Toimub reaktsioon: RUBP + CO2 = 2 3-fosfoglütseraat (3PG). Seega ribuloos-1,5-bisfosfaadi ja CO2 sidumise tulemusena moodustub kuuest süsinikust koosnev labiilne vaheprodukt, mis laguneb vee toimel kaheks fosfoglütseraadi molekuliks.
Redutseerimine.
Ribuloos bisfosfaadi karboksülaasi reaktsiooniprodukt 3PG konverteeritakse glütseeraldehüüd-3-fosfaadiks. Selleks katalüüsib fosfoglütseraadi kinaas anorgaanilise fosfaadi (Pi) ülekannet ATP koosseisust 3-fosfoglütseraadi karboksüülile, mille tulemusena tekib 1,3-bisfosfoglütseraat. Seejärel katalüüsib glütseeraldehüüd-3-fosfaat 1,3-bisfosfoglütseraadi karboksüüli redutseerimist aldehüüdks koos anorgaanilise fosfaadi eraldumisega. Protsessi tulemusena tekib glütseeraldehüüd-3-fosfaat.
Regenereerimine.
Regenereermisel ehk süsiniku taastekitamisel jääb üks redutseerimise etapis saadud glütseeraldehüüd-3-fosfaadimolekul aldehüüdsesse vormi ning teisel liigutatakse karbonüülrühm otsmise süsiniku aatomi juurest keskmise süsiniku juurde. Seega muutub aldehüüd ketoühendiks, mille tulemusel tekib dihüdroatsetoon-fosfaat. Seejärel ühendab ensüüm aldolaas muudetud (ketoühenditest) ja muutmata (aldehüüdidest) 3-süsinikulised molekulid kokku 6-süsinikuliseks fruktoos-1,6-bisfosfaadiks. Sellest moodustub fruktoos-6-fosfaat, kus üks osa kulub RuBP regenereerimiseks ning teine osa muutub glükoosiks. Fruktoos-6-fosfaat muudetakse ATP energia abil vaheühendi ribuloos-5-fosfaadi kaudu ribuloos-1,5-bisfosfaadiks.
Calvini tsüklit limiteerivad tegurid.
Calvini tsüklisse siseneva ning sealt väljuva süsiniku voog on dünaamilises tasakaalus, kuid üldine voolusuhe sõltub limitatsiooni ulatusest. Tulenevalt tsükli keerulisest ehitusest ei mõju erinevad tegurid lineaarselt, see tähendab, et muutus ühes osas ei põhjusta proportsionaalset suurenemist teises osas. Näiteks vähendades proteiini sisaldust ei mõju see lineaarse muutusena aktiivsuses, kuid võib toimuda lüke kas substraadi või produktide kontsentratsioonis, samuti ensüümi aktivatsiooni osas. Aktivatsioonitaset saab muuta langetades proteiini osakaalu kloroplastides ja lehtedes, ning samaaegselt takistades valku kodeeriva geeni normaalset ekspressiooni teda blokeerivate ensüümidega.
RuBisCo.
RuBisCo ehk ribuloos-1,5-bisfosfaadi karboksülaasi/oksügenaasi peetakse maailma levinuimaks valguks ja suurima biomassiga ensüümiks. See ensüüm on suhteliselt aeglase katalüüsikiirusega, mille üheks peamiseks funktsiooniks on kõigi organismide elutegevuseks vajaliku süsiniku fikseerimine süsinikdioksiidina. Siiski ei ole RuBisCo märkimisväärselt substraadispetsiifiline, mistõttu toimub süsinikdioksiidi fikseerimisele lisaks ka hapniku seondumine. RuBisCo osakaal taime lehe koguvalgu juures on ligi pool. Katalüüsides üht olulisimat biokeemilist reaktsiooni, osa Calvini tsüklist, on tegemist väga universaalse kompleksiga. Toimub Calvini tsükli esimene reaktsioon, pöördumatu ribuloos-1,5-bisfosfaadi karboksüleerimine, selle tulemusena tekib kaks 3-fosfoglütseraadi molekuli, mida hiljem kasutatakse taimes suhkrute sünteesiks. 3-fosfoglütseraat on üks tähtsaim komponent suhkrute sünteesiks, seetõttu on RuBisCo ensüümil eluslooduse protsessides võtmeroll.
RuBisCo aktiivsus.
Süsinikdioksiidi sidumise hulka määravad nii RuBisCo hulk kui ka ensüümi aktiivsustase. Alles loodud RuBisCo peab aktiivsuse saavutamiseks kõigepealt kasutama aktivaatormolekulidena CO2 ja Mg2+ ioone, samuti valgulise komponendina RuBisCo aktivaasi (RbcA). Edasi seondub RuBisCo suure subühiku Lys 201 jäägile CO2, millele omakorda seotakse Mg2+. Ensüümi aktiivsuse määramine on komplitseeritud, sest ühe molekuli kõik kaheksa katalüütilist tsentrit ei pruugi olla aktiveeritud samal ajal, lisaks ei ole nende talitlus sünkroonne. Lisaks sõltub RuBisCo koguaktiivsus ka valguse intensiivsusest, sest sellega kaasneb elektronide transport membraanil ning pH muutumine kloroplastis. Ensüümi aktiivsus on suurem valges, sest RuBisCo aktiveerumisel osalev RuBisCo aktivaas vajab talitluseks ATP-d. Näiteks on enamikul taimedel RuBisCo spetsiifiline aktiivsus pimedas 25–50% sellest, mis kõrge valguse intensiivsuse juures. Substraadi kontsentratsioon mängib olulist rolli, näiteks kaasneb CO2 elimineerimisega lehele juhitavast gaasisegust RuBisCo vähenemine neljandiku võrra, kuid esialgne aktiivsus taastus pärast CO2 keskkonda lisamist umbes 30 minuti jooksul. Lisaks omavad kaasmõju ensüümi aktiivsusele ka strooma fosfaatioonide kontsentratsioon. Fosfaadi defitsiidiga kasvukeskkonnas kaasneb lisaks CO2 sidumise määra langus aga ka karboksüleerimise efektiivsuse vähenemine. See mõjutab RuBisCo aktiivsust just RuBP regenereerimise jõudluse läbi.
Transporterid.
Kloroplasti kesta välimisel membraanil on transportervalgud, mis lasevad substraate massiga kuni 10 kDA vabalt difuseeruda sisemembraani. Kõik Calvini tsükli produktid peavad selle läbima. Protsessi aitavad spetsiifilised translokaatorid, mis on protsessis aktiivses vahetuses ning reguleerivad mitmeid aspekte raku metabolismis. Üks enim uuritud translokatsiooni süsteeme on fosfaat-trioonis ja fosfaat-fosfoglütseraat translokaator. Seda nimetatakse trioosfosfaadi anorgaanilise fosfaadi translokaatoriks.