5. A FOTOSZINTÉZIS SÖTÉTSZAKASZA A Calvin-ciklus A fotoszintézis sötétszakaszában zajlik a CO2 fixációja, ami nem mást jelent, mint e molekula szerves kötésbe építését, vagyis a szén redukcióját. Ez a bioszféra alapját jelentő folyamat végső soron a légzés folyamatának (a szerves szén oxidációjának) a megfordítása, s mint ilyen energiát és redukálószert igényel. A fotoszintézis fényszakaszában pedig épp ez a kettő állt elő: ATP és NADPH+H+. Ezek legnagyobb részét éppen erre, vagyis szervetlenből saját szerves anyag előállítására használja a növény. Úgyhogy rajta! A CO2 szerves kötésbe épülése az ún. Calvin-ciklusban valósul meg, amely a zöld színtest alapállományában (sztrómájában) zajlik. Ennek a körkörös reakciósornak három szakasza van: Karboxiláció Redukció --- Regeneráció E három közül csak a harmadiknak a megértése igényel egy kevés agymunkát, úgyhogy az első kettőn át is kelünk gyorsan. Tartalomhoz készítette: Tauber Tamás

Karboxiláció A karboxiláció (vagyis a CO2 -nak -COOH csoportként való beépítése egy szerves molekulába) az egész Calvin-ciklus kulcslépése, melyet a földkerekség legnagyobb tömegben előforduló enzime, a Rubisco (Ribulóz-1,5-biszfoszfát-karboxiláz-oxigenáz) katalizál! A molekula, melybe a CO2-ot beépíti az enzim, a ribulóz (5 C atomos cukor *) két foszfátcsoporttal aktivált** származéka, a ribulóz-1,5-bifoszfát (vagy biszfoszfát). 2 + Rubisco + H2O 2 Glicerinsav-3-P (2 x C3) ribulóz-biP (C5) CO2 (C1) És tényleg kettészakadt… :-o * A ribulóz a ribóznak egy izomerje – ketopentóz. ** A glikolízis alapján már sejtheted, hogy akkor ez a molekula ketté fog „szakadni” Tartalomhoz

Redukció A CO2-ot tehát végső soron már fixáltuk is. Csináljunk most ebből a (2db) foszforilált hidroxikarbonsavból foszforilált hidroxialdehidet (magyarán szénhidrátot!*), hisz ez a fincsi tápanyag a sejt számára, ráadásul ha már ez egy ciklus, akkor előbb-utóbb úgyis vissza kell lépnünk a szénhidrátok oxidációs állapotába… Szerencsére ehhez nem kell mást tenni, mint a karboxilcsoportot redukálni. Ehhez aktiváljuk a -COOH csoportot, majd elvégezzük rajta a redukciót. Mivel? Hát redukálószerrel: aktiválás 2 + 2 ATP 2 + 2 ADP + H2O Glicerinsav-1,3-biP 2 NADPH+H+ redukció 2 NADP+ 2 + 2 Pi Glicerinaldehid-3-P * * Vedd észre, hogy a glicerinaldehid az egy 3 szénatomos cukor, vagyis trióz! Tartalomhoz

Regeneráció Rendben, tehát beépítettük a szén-dioxidot és újra szénhidrátjaink vannak. Most már csak vissza kellene alakítani a képződött anyagból valahogyan a ribulóz-1,5-bifoszfátot, hogy ne fogyjon el, és újabb CO2-ok megkötéséhez szolgáljon a Rubisconak szubsztrátul! C H2 H O H3 HO + transzketoláz De hogy tudok a glicerinaldehidből (3C) ribulózt (5C) csinálni? Az nagyon rossz megoldás volna, ha „összeragasztanánk” kettőt (6C) és kipöckölnénk egy szenet (1C + 5C), hisz épp azért erőlködtünk eddig, hogy a CO2 egyetlen C-atomját C–C kötésbe tessékeljük. Úgy kellene összehozni ezt a mutatványt, hogy végig csak cukormolekulákat kelljen kezelnünk, és lehetőleg minél kevesebb féle enzimre legyen szükségünk! C H3 O H HO H2 + aldoláz Nos, van erre mód: összekombinálunk a glicerinaldehid(foszfát)okból ribulóz(foszfát)okat maradék nélkül, és csak kétféle C-atomszám-változtató reakciót használok: aldoláz reakciótkép: ez két cukor egymáshoz kapcsolása. Pl. glicerinaldehid-P* + dihidroxiaceton-P* = fruktóz-1,6-biP (6C) transzketoláz reakciótkép: egy (α) ketózról levágjuk a „fölső” két C atomját és átépítjük egy aldózra. Pl. fruktóz-6-P + glicerinaldehid-3-P = eritróz-4-P (4C) + ribóz-5-P (5C) Ezen kívül csak izomerázokra és foszfatázokra lesz szükség, de ezek „csak” segédkeznek. * ők egymás izomerjei, ld. glikolízis! – csak míg előbbi aldotrióz, addig utóbbi ketotrióz. Tartalomhoz

És hogyan tudok maradék nélkül dolgozni? A 3 és az 5 legkisebb közös többszöröse a 15 (éppen 3x5), vagyis 5 db glicerinaldehid (P)-ból épp kijön 3 db ribulóz (P). Lássuk tehát, és az egyszerűség kedvéért csak a C-atomokat nézzük most. (A foszfatáz- és különböző izomeráz-reakciókat szintén kihagyjuk – az utolsó, „klasszikus” ábrán azonosíthatók.) Tartalomhoz

Glicerinaldehid-P -ok (5 db) Ribulóz-P –ok (3 db) cc ccc cccccc ccccc izomeráz aldoláz ccc ccc fruktóz-biP xilóz-P (5C) transzketoláz cccc ccc ccc ccccccc ccccc ccccc ccccc eritróz-P (4C) aldoláz izomeráz cc ccc c xilóz-P (5C) szedoheptulóz-biP (7C) transzketoláz ccccc ccccc ccccc ccc ccc izomeráz Tartalomhoz ribóz-P (5C)

Ennyi. Tehát az 5 db 3C-atomos cukorból két aldoláz és két transzketoláz reakcióval összeállítottunk 3 db 5C atomos cukrot, s az izomerázok ezekből megalkották a ribulóz-5-P-ot. Most már csak egy lépés van hátra: egy ATP feláldozásával aktiváljuk (foszforiláljuk) a molekulák másik végét is, és visszajutunk a ribulóz-1,5-bifoszfáthoz, mely új CO2 befogadására kész. Ezzel a Regenerációs szakasznak is vége! ~ Végül gondoljuk meg: a keletkezett 3 db ribulóz-biP 3 CO2 felvételével (Rubisco) 6 db glicerinaldehid-3-P-ot ad. Ebből 1 db mehet felhasználásra a sejtfolyamatokba, mint a 3 fixált CO2-nak megfelelő C-mennyiség, 5 db pedig fordul vissza a regenerációs reakciókba, hogy újra 3 db ribulóz-1,5-bifoszfáttá alakuljon, melyek 3 CO2 felvételével újra 6 glicerinaldehid-3-P-ot adnak, és így tovább, és így tovább... Ez a Calvin-ciklus. Végül vonjuk meg a mérleget: Egy CO2 fixálása igényel 3 ATP-t (egy kell a ribulóz-1,5-bifoszfát előállításához a CO2 bekötődését megelőzően, 2 pedig kell a két glicerinsav-3-P redukciójához glicerinaldehid-3-P-tá), és igényel 2 NADPH+H+-t ugyancsak a redukciós folyamatban. Tartalomhoz

Aki a klasszikus ábrázolás híve, az próbálja abból megérteni:  Tartalomhoz

karboxiláció redukció regeneráció Tartalomhoz Ru = ribulóz PGA = glicerinsav-foszfát GA -- P = glicerinaldehid -- P DHAP = dihidroxi-aceton-foszfát F = fruktóz, R = ribóz, X = xilóz Tartalomhoz