Calvinov ciklus

Question 1

Što je Calvinov ciklus i gdje se odvija?

Answer 1

Calvinov ciklus se odvija u stromi kloroplasta i obuhvaća reakcije kojima se iz CO2 sintetizira glukoza uz utrošak ATP-a i NADPH nastalih tijekom odvijanja reakcija fotosinteze na svjetlu.

Question 2

Razlika i sličnost između glukoneogeneze i Calvinovog ciklusa?

Answer 2

Dok se procesom glukoneogeneze glukoza sintetizira iz neugljikohidratnih preteča (laktata, aminokiselina, glicerola) uz utrošak energije prethodno dobijene razgradnjom prehrambenih molekula (šećera, lipida, proteina), Calvinovim se ciklusom glukoza sintetizira iz CO2 i H2O na račun Sunčeve energije.

Question 3

Kako se još nazivaju reakcije Calvinovog ciklusa i zašto?

Answer 3

Reakcije Calvinovog ciklusa ne ovise direktno o prisustvu svjetlosti, pa se nazivaju i reakcijama u tami.

Question 4

Koje su tri faze Calvinovog ciklusa?

Answer 4

Calvinov ciklus ima tri faze: fazu fiksacije CO2 na ribuloza-1,5-bisfosfat pri čemu nastaju dvije molekule 3-fosfoglicerata, fazu redukcije 3-fosfoglicerata u šećer heksozu i fazu regeneracije ribuloza-1,5-bisfosfata.

Question 5

Što se dešava u prvoj fazi Calvinovog ciklusa?

Answer 5

U prvoj fazi Calvinovog ciklusa se molekula CO2 kondenzira s molekulom ribuloza-1,5- bisfosfata u nestabilni međuspoj od 6 C atoma koji se zatim brzo hidrolizira u dvije molekule 3-fosfoglicerata. Ovu reakciju katalizira enzim ribuloza-1,5-bisfosfat-karboksilaza/oksigenaza (rubisko) smješten na površini tilakoidne membrane kloroplasta, tako da se reakcija odvija u stromi.

Question 6

Što je neophodno za aktivnost rubiska?

Answer 6

Za aktivnost rubiska je neophodan Mg2+ i CO2 koji sudjeluje u stvaranju veznog mjesta za Mg2+ ion.

Question 7

Objasni mehanizam djelovanja rubiska i cijelu reakciju pretvorbe ribuloze-1,5-bisfosfata.
Nacrtaj reakciju.

Answer 7

U aktivnom mjestu enzima se najprije karboksilira pobočni ogranak specifičnog lizinskog ostatka (Lys201) čime nastaje karbamat. Reakciju karboksilacije lizinskog ostataka katalizira enzim rubisko-aktivaza. Negativno nabijeni karbamat veže ion Mg2+ koji zatim stupa u interakcije sa još nekoliko pobočnih ogranaka aminokiselina u aktivnom mjestu. Molekula ribuloza-1,5-bisfosfata se zatim veže svojom keto skupinom i susjednom hidroksilnom skupinom na ion Mg2+, deprotonira se i time prevodi u nestabilni endiolatni međuprodukt koji reagira sa CO2. Time
nastaje novi međuprodukt od 6 C atoma (2-karboksi-3-keto-D-arabinitol-1,5-bisfosfat) koji je i dalje vezan na ion Mg2+. Ovaj se međuprodukt hidratizira i zatim cijepa na dvije molekule 3-fosfoglicerata.

Question 8

Koju još reakciju katalizira rubisko osim karboksilacije? Opiši ju i nacrtaj.

Answer 8

Rubisko osim ove reakcije katalizira i nepoželjnu reakciju oksigenacije ribuloza-1,5-bisfosfata tako što umjesto CO2 u aktivno mjesto ulazi O2 pa se endiolatni međuprodukt u reakciji sa kisikom prevodi u hiperoksidni međuprodukt. Hidrolitičkim cijepanjem ovog međuprodukta kao konačni produkti reakcije nastaju fosfoglikolat i 3-fosfoglicerat.

Question 9

Kako teku reakcije karboksilacije i oksigenacije u normalnim uvjetima?

Answer 9

U normalnim uvjetima je reakcija karboksilacije 4 puta brža od reakcije oksigenacije.

Question 10

Što se dešava sa fosfoglikolatom koji nastaje u reakciji oksigenacije?

Answer 10

Fosfoglikolat se ne može iskoristiti za sintezu glukoze nego se reakcijama tzv. fotorespiracije prevodi u serin.

Question 11

Opiši reakcije fotorespiracije.

Answer 11

Reakcije fotorespiracije teku tako da se fosfoglikolat specifičnom fosfatazom defosforilira u glikolat i zatim iz strome kloroplasta transportira u peroksisome. U peroksisomu se glikolat oksidira pomoću glikolat-oksidaze u glioksilat uz nastajanje vodikovog peroksida. Vodikov peroksid se odmah razgrađuje djelovanjem katalaze na O2 i H2O, a glioksilat se u reakciji transaminacije aminira u glicin. Glicin se zatim transportira u mitohondrije gdje se iz dva glicina, uz gubitak jednog amonijevog iona i jednog ugljikovog atoma u obliku CO2, nizom reakcija sintetizira aminokiselina serin. Serin se u konačnici može deaminirati u piruvat i putem glukoneogeneze prevesti u glukozu. Reakcijama
fotorespiracije se iz dviju molekula fosfoglikolata tri od ukupno četiri C atoma prevedu u serin, dok se jedan gubi kao CO2. Proces se naziva fotorespiracijom upravo zbog toga što se u njemu troši O2, a proizvodi CO2.

Question 12

Što se desi sa amonijevim ionom koji se otpusti u reakcijama fotorespiracije?

Answer 12

Amonijev ion koji se otpusti u ovom nizu reakcija vraća se u kloroplaste gdje se koristi za aminaciju glutamata u glutamin uz
utrošak ATP-a djelovanjem enzima glutamin sintetaze. Glutamin je donor amino grupa za biosintezu brojnih dušikovih spojeva.

Question 13

Je li fotorespiracija poželjan proces?

Answer 13

Ne, energetski gledano ovaj proces je beskoristan jer se na račun oksidacije organskog ugljikovog spoja ne dobija energija (ne nastaje ATP-a, NADPH ili neka druga energijom bogata molekula).

Question 14

sumarna jednadžba fotorespiracije.

Question 15

Što se dešava u drugoj fazi Calvinovog ciklusa?

Answer 15

3-fosfoglicerat koji nastane u prvoj fazi Calvinovog ciklusa se prevodi u fruktoza-6-fosfat reakcijama sličnim onima u glukoneogenezi.

Question 16

Nabroji, opiši i nacrtaj reakcije druge faze Calvinovog ciklusa.

Answer 16

Dvije molekula 3-fosfoglicerata se fosforiliraju uz utrošak ATP-a u 1,3-bisfosfoglicerat koji se dalje reducira i defosforilira u gliceraldehid-3-fosfat uz utrošak NADPH. Fosforilaciju 3-fosfoglicerata katalizira enzim fosfoglicerat kinaza, a reakciju
redukcije i defosforilacije 1,3-bisfosfoglicerata enzim gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza koja za razliku od citosolne gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaze kao koenzim koristi NADPH. Jedan od nastalih gliceraldehid-3-fosfata se izomerizira u dihidroksiacetonfosfat, uz djelovanje enzima triozafosfat izomeraze. Gliceraldehid-3-fosfat i dihidroksiacetonfosfat se kondenziraju u fruktoza-1,6-bisfosfat (uz enzim aldolazu) koji se hidrolitički defosforilira u fruktoza-6-fosfat (uz enzim fruktoza-1,6-bisfosfatazu). Nastali fruktoza-6-fosfat se lako izomerizira u glukoza-6-fosfat djelovanjem enzima fosfoglukoza izomeraze, a glukoza-6-fosfat epimerizira u glukoza-1-fosfat djelovanjem enzima fosfoglukomutaze. Defosforilacijom glukoza-6-fosfata nastaje
glukoza djelovanjem enzima glukoza-6-fosfataze.

Question 17

Koja je razlika citosolne GAPDH i GAPDH u stromi kloroplasta?

Answer 17

Za razliku od citosolne gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaze, GAPDH u stromi kloroplasta kao koenzim koristi NADPH.

Question 18

Sumarna jednadžba sinteze glukoze iz 3-fosfoglicerata?

Question 19

Što se dešava u trećoj fazi Calvinovog ciklusa?

Answer 19

U trećoj fazi Calvinovog ciklusa se regenerira ribuloza-1,5-bisfosfat tako da iz jedne molekule fruktoza-6-fosfata, dihidroksiacetonfosfata i dva gliceraldehid-3-fosfata nastaju tri molekule ribuloza-1,5-bisfosfata nizom reakcija koje kataliziraju transketolaza i aldolaza.

Question 20

Što je transketolaza, a što aldolaza?

Answer 20

Transketolaza je enzim koji uz prostetsku skupinu TPP prenosi jedinicu od dva C atoma sa šećera ketoze na aldozu kao akceptor. Aldolaza je enzim koji katalizira aldolnu kondenzaciju dihidroksiacetonfosfata i šećera aldoze.

Question 21

Opiši, nabroji i nacrtaj reakcije treće faze Calvinovog ciklusa.

Answer 21

Niz reakcija započinje prebacivanjem jedinice od dva C atoma sa fruktoza-6-fosfata na gliceraldehid-3-fosfat (uz enzim transketolazu) čime nastaje eritroza-4-fosfat i ksiluloza-5-fosfat. Eritroza-4-fosfat se zatim kondenzira sa dihidroksiacetonfosfatom (uz enzim aldolazu) u sedoheptuloza-1,7-bisfosfat. Enzim sedoheptuloza-1,7-bisfosfataza hidrolitički odcjepljuje fosfatnu grupu sa sedoheptuloza-1,7-bisfosfata i nastaje sedoheptuloza-7-fosfat. Transketolaza zatim sa sedoheptuloza-7-fosfata prebacuje jedinicu od 2 C atoma na novu molekulu gliceraldehid-3-fosfata čime se dobije jedna riboza-5-fosfat i jedna ksiluloza-5-fosfat. Ovim nizom reakcija nastale fosforilirane pentoze, riboza-5-fosfat i ksiluloza-5-fosfat, se zatim prevedu u ribuloza-5-fosfat, djelovanjem enzima fosfopentoza izomeraze i fosfopentoza epimeraze. Ribuloza-5-fosfat se zatim fosforilira u ribuloza-1,5-bisfosfat uz utrošak ATP-a i enzim fosforibuloza kinazu.

Question 22

Sumarna jednadžba treće faze Calvinovog ciklusa?

Question 23

Napiši zbirnu jednadžbu Calvinovog ciklusa i opiši stehiometrijski uravnotežen kruz Calvinovog ciklusa.

Answer 23

Za stehiometrijski uravnotežen krug Calvinovog ciklusa potreban je ulazak 6 CO2 u prvu fazu ciklusa budući da su za sintezu jedne glukoze potrebne dvije trioze, dok je za regeneraciju 6 ribuloza-1,5-bisfosfata potrebno 10 trioza. Kondenzacijom 6 CO2 i 6 ribuloza-1,5-bisfosfata dobije se 12 triozafosfata od kojih dva odlaze u sintezu heksoze. Od preostalih deset triozafosfata četiri služe za sintezu dviju fruktoza-6-fosfata, a preostalih šest se uključuju u treću fazu Calvinovog ciklusa kao četiri molekule gliceraldehid-3-fosfata i dvije molekule dihidroksiacetonfosfata. Na taj način se u trećoj fazi ciklusa regenerira 6 pentozafosfata koji se zatim izomeriziraju/epimeriziraju u 6 ribuloza-5-fosfata koji se zatim fosforiliraju u 6 ribuloza-1,5-bisfosfata čime je krug zatvoren. U cijelom ciklusu se potroši 18 ATP-a i 12 NADPH tj. za ugradnju jedne molekule CO2 u heksozu se potroši tri ATP-a i dva NADPH.

Question 24

Kako se glukoza skladišti u biljkama?

Answer 24

Glukoza se u biljkama skladišti kao škrob ili saharoza.

Question 25

U kojim formama postoji škrob?

Answer 25

Škrob dolazi u formi amiloze (nerazgranati oblik škroba u kojem su glukozne jedinice povezane α-1,4-glikozidnom vezom) ili amilopektina (razgranati oblik škroba koji ima jednu α-1,6-glikozidnu vezu na svakih 30 α-1,4-glikozidnih veza).

Question 26

Gdje se i pomoću čega sintetizira škrob?

Answer 26

Aktivirana preteča za sintezu škroba je ADP-glukoza, a sintetizira se i pohranjuje u kloroplastima.

Question 27

Objasni sintezu i pohranu saharoze.

Answer 27

Saharoza se sintetizira i pohranjuje u citoplazmi stanica. Trioza-fosfati se iz kloroplasta iznose u citosol gdje se reakcijama glukoneogeneze prevode u fruktoza-6-fosfat, a zatim ulaze u reakciju sa UDP-glukozom. Reakciju katalizira enzim saharoza-6-fosfat sintaza, a produkti reakcije su saharoza-6-fosfat i UDP. Hidrolizom esterske veze se iz molekule saharoza-6-fosfata odcjepljuje fosfatna grupa i dobija saharoza.

Question 28

Objasni regulaciju Calvinovog ciklusa.

Answer 28

Calvinov ciklus u biljkama djeluje danju, dok se razgradnja ugljikohidrata za dobivanje energije odvija noću. Reakcijama fotosinteze na svjetlu dolazi do izbacivanja Mg2+ iona iz tilakoidnog lumena u stromu kloroplasta, kako bi se kompenzirao proces unosa H+ u tilakoidni lumen. Ujedno pH u stromi raste zbog smanjenja koncentacije H+ što pogoduje sintezi karbamata u aktivnom mjestu rubiska. U stromi raste i koncentracija reduciranog feredoksina (topivi nosač elektrona iz fotosustava I na NADP+), a uz to se intenzivno sintetiziraju NADPH i ATP potrebni za sintezu šećera u Calvinovom ciklusu.
Reducirani feredoksin osim uloge prijenosa elektrona iz fotosustava I na NADP+ ima i ulogu u regulaciji Calvinovog ciklusa. Visoka koncentracija reduciranog feredoksina i NADPH signalizira da su dobri uvjeti za sintezu šećera. Signal se na enzime Calvinovog cikusa prenosi posredstvom malog proteina tioredoksina. Ovaj protein se uz pomoć enzima feredoksintioredoksin reduktaze reducira u reakciji sa reduciranim feredoksinom. Reducirani tioredoksin zatim aktivira enzime Calvinovog ciklusa kidanjem njihovih regulacijskih disulfidnih veza
(redukcija disulfidnih veza dovodi do aktivacije enzima), dok se sam tioredoksin pri tome oksidira. Enzimi Calvinovog ciklusa koji podliježu ovoj regulaciji su rubisko, gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza, sedoheptuloza-1,7-bisfosfataza i fosforibuloza kinaza. Tioredoksin aktivira i enzime glukoneogeneze fruktoza-1,6-bisfosfatazu i gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenazu, te glukoza-6-fosfat dehidrogenazu iz pentoza-fosfatnog puta. Dodatno enzime Calvinovog ciklusa fosforibuloza kinazu i gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenazu aktivira NADPH koji razara kompleks ovih enzima sa regulatornim proteinom CP12. Kompleks ovih enzima sa CP12 je
inaktivan.