Direkt zum Inhalt

Lexikon der Biochemie: Calvin-Zyklus

Calvin-Zyklus, reduktiver Pentosephosphat-Zyklus,photosynthetischer Kohlenstoffreduktions-Zyklus, eine Serie von 13 enzymkatalysierten Reaktionen, die im Chloroplastenstroma von Pflanzen oder im Cytoplasma von photosynthetischen Bakterien vorkommen und zu einem Zyklus organisiert sind. Dieser hat den Zweck, CO2 in Kohlenhydrate umzuwandeln, unter Verwendung reduzierter Pyridinnucleotide (NADPH in Pflanzen, NADH in photosynthetischen Bakterien) und ATP, das während der Lichtphase der Photosynthese gebildet wird. Der Zyklus wurde von Melvin Calvin entdeckt, dessen Forschung 1961 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde. Der C. läuft in allen photosynthetischen Organismen ab, außer den grünen Schwefelbakterien (Chlorobiaceae), die CO2 über den reduktiven Citrat-Zyklus fixieren. Obwohl die Atmosphäre die Quelle für das im Calvin-Zyklus fixierte CO2 ist, stellt es nur für die C3-Pflanzen die direkte Quelle dar; bei C4-Pflanzen (Hatch-Slack-Kortschak-Zyklus) und CAM-Pflanzen (Crassulaceen-Säurestoffwechsel) wird das atmosphärische CO2 zuerst durch Reaktion mit Phosphoenolpyruvat (als HCO

) in Oxalessigsäure (OES) inkorporiert; nachfolgend wird es aus OES regeneriert (oder aus der von der OES abgeleiteten Äpfelsäure) und dann im C. fixiert.
Man kann sich vorstellen, dass der Zyklus aus den folgenden zwei Phasen besteht:
1) eine CO2-fixierende, kohlenhydratbildende Phase, in der sich CO2 mit einem CO2-Akzeptormolekül zu einer C3-Carbonsäure verbindet, die dann im Verlauf einer NAD(P)H- und ATP-verbrauchenden Reaktionssequenz in die Triosephosphate 3-Phosphoglycerinaldehyd (3-PGAld) und Dihydroxyacetonphosphat (DiHOAcP) umgewandelt wird;
2) eine regenerative Phase, in der die Triosephosphatmoleküle (die übrig bleiben, nachdem die für allgemeine biosynthetische Zwecke benötigten Moleküle entnommen wurden) eine Reihe von Reaktionen eingehen. Diese haben den Zweck, die Anzahl an Akzeptormolekülen zu regenerieren, die benötigt wird, um die Stöchiometrie des Zyklus zu erfüllen, d.h. drei für jedes DiHOAcP-Molekül, das für allgemeine Biosynthesen abgezweigt wird. In Pflanzen wird DiHOAcP auf physikalischem Weg dem Zyklus entzogen und vom Chloroplasten in das Cytosol exportiert, wo es für die Saccharosebildung verwendet wird. Diese Saccharose wird dann aus der Zelle exportiert und über das Phloem zu jenen Teilen der Pflanze transportiert, die den Zucker benötigen, z.B. die Meristeme, die Wurzeln, die sich entwickelnden Samen und Knollen. Diese physikalische Ausscheidung ist bei photosynthetischen Bakterien jedoch nicht möglich, weil sie keine Chloroplasten oder andere Organellenstrukturen besitzen.
Die erste Phase des C. beginnt mit einer Carboxylierungsreaktion (Reaktion A in der Abb.), die durch die Ribulose-1,5-diphosphat-Carboxylase katalysiert wird. Der CO2-Akzeptor ist D-Ribulose-1,5-diphosphat (Ru-1,5-dP), von dem angenommen wird, dass er in Form des Endiols mit CO2 reagiert und das 6C-Zwischenprodukt 2-Carboxy-3-keto-D-arabinitol-1,5-diphosphat bildet. Dieses wird dann hydrolytisch gespalten und es werden zwei Moleküle 3-Phosphoglycerinsäure (3-PGA; Ribulosediphosphat-Carboxylase für den Reaktionsmechanismus) gespalten. Wenn man annimmt, dass ein DiHOAcP-Molekül das Produkt einer Zyklusrunde ist, dann müssen aufgrund der Stöchiometrie drei CO2-Moleküle mit 3 Ru-1,5-dP reagieren, um sechs 3-PGA-Moleküle zu bilden. Es ist zu beachten, dass der Rest dieses Artikels diese Stöchiometrie zugrunde legt, ebenso wie die Abbildung, in der über dem Reaktionspfeil die Anzahl Moleküle angegeben ist, die an einer Reaktion beteiligt sind. Alle 3-PGA-Moleküle werden mit Hilfe der Phosphoglycerat-Kinase phosphoryliert, wobei ATP eingesetzt wird, das in der Lichtphase der Photosynthese generiert wird. Es entsteht eine äquivalente Anzahl an 1,3-Diphosphoglycerinsäure-Molekülen (1,3-dPGA; korrekterweise 3-Phosphoglyceroylphosphat genannt; Reaktion B in der Abb.). Diese Reaktion aktiviert die Carboxylgruppe der 3-PGA durch Überführung in eine -CO(OPO

)-Gruppe, die im nächsten Schritt zu einer -CHO-Gruppe reduziert werden kann. Bei dieser Reaktion werden alle 1,3-dPGA-Moleküle durch die 3-Phosphoglycerinaldehyd-Dehydrogenase (unter Verwendung von NAD(P)H, das auch während der Lichtphase der Photosynthese generiert wird) reduziert. Es entsteht eine äquivalente Anzahl (6) an 3-PGAld-Molekülen (Reaktion C in der Abb.). Drei dieser Moleküle gehen eine Aldose-Ketose-Isomerisierung ein, die durch die Triosephosphat-Isomerase katalysiert wird, wodurch man drei DiHOAcP-Moleküle erhält (Reaktion D in der Abb.). Auf diese Weise stehen am Ende der ersten Phase des Zyklus jeweils drei Moleküle von 3-PGAld und DiHOAcP. Von diesen wird ein DiHOAcP-Molekül als Photosyntheseprodukt abgezweigt (entspricht drei fixierten CO2-Molekülen). Es bleiben drei 3-PGAld-Moleküle und zwei DiHOAcP-Moleküle übrig, mit denen die zweite Phase des Zyklus beginnt. In der zweiten Phase muss das Kohlenstoffgerüst von fünf Triosephosphatmolekülen (insgesamt 15 Kohlenstoffatome) in der Weise reorganisiert werden, dass drei Pentosephosphatmoleküle in der Form von Ru-1,5-dP geschaffen werden. Diese stellen die CO2-Akzeptormoleküle der nächsten Zyklusrunde dar.
Die zweite Zyklusphase beginnt mit der durch die Diphosphat-Aldolase katalysierten Kondensation eines Moleküls 3-PGAld mit einem Molekül DiHOAcP zu einem Molekül D-Fructose-1,6-diphosphat (F-1,6-dP; Reaktion E in der Abb.). Diesem Schritt folgt die hydrolytische Abspaltung der C1-Phosphatgruppe von F-1,6-dP unter Bildung von D-Fructose-6-phosphat (F-6-P; Reaktion F in der Abb.). Dieses reagiert anschließend mit einem der zwei restlichen 3-PGAld-Moleküle und es entstehen jeweils ein Molekül D-Xylulose-5-phosphat (Xu-5-P) und D-Erythrose-4-phosphat (E-4-P; Reaktion G in der Abb.). Diese Reaktion wird durch Transketolase katalysiert, die in Gegenwart von Thiaminpyrophosphat die Ketolgruppe (CH2OH-CO) aus der C1- und C2-Position des F-6-P auf 3-PGAld überträgt, so dass sie zur Ketolgruppe von Xu-5-P wird. Die Kohlenstoffatome 3, 4, 5 und 6 von F-6-P werden zu E-4-P. Das E-4-P kondensiert dann unter dem katalytischen Einfluß von Fructosediphosphat-Aldolase mit dem einen noch verbliebenen DiHOAcP und bildet ein Molekül D-Sedoheptulose-1,7-diphosphat (Su-1,7-dP; Reaktion H in der Abb.). Diesem Schritt folgt die hydrolytische Abspaltung der C1-Phosphatgruppe mit Hilfe der Fructose-Diphosphatase, wobei D-Sedoheptulose-7-phosphat (Su-7-P; Reaktion I in der Abb. ) entsteht. Dieses reagiert dann mit dem noch übriggebliebenen 3-PGAld-Molekül unter Bildung jeweils eines Moleküls D-Xylulose-5-phosphat (Xu-5-P) und D-Ribose-5-phosphat (R-5-P; Reaktion J in der Abb.). Diese Reaktion wird ebenfalls durch die Transketolase katalysiert und ist in mechanistischer Hinsicht identisch mit Reaktion G (Abb.). An diesem Punkt der zweiten Phase sind zwei Moleküle Xu-5-P vorhanden, die durch zwei transketolasekatalysierte Reaktionen (Reaktion G und J) gebildet wurden, und ein Molekül R-5-P. Jedes dieser drei Pentosephosphate wird jetzt zu D-Ribulose-5-phosphat (Ru-5-P) isomerisiert. Dabei katalysiert die Ribosephosphat-Ketol-Isomerase die Isomerisierung von R-5-P in einer Aldose-Ketose-Umwandlungsreaktion, während die Ribulosephosphat-Epimerase die Isomerisierung von Xu-5-P katalysiert, indem sie die Orientierung der H- und OH-Gruppen an C3 umkehrt (3S in 3R; Reaktion K in der Abb.). Der Zyklus wird mit der Phosphorylierung von drei Molekülen Ru-5-P, katalysiert durch die Phosphoribulo-Kinase, vollendet, wobei ATP verbraucht wird, das in der Lichtphase der Photosynthese generiert wurde. Außerdem werden drei Moleküle Ru-1,5-dP gebildet, die für den Start des nächsten Zyklus benötigt werden.
Verschiedene Enzyme des Calvin-Zyklus, z.B. Ribulose-1,5-diphosphat-Carboxylase, 3-Phosphoglyceraldehyd-Dehydrogenase und Phosphoribulo-Kinase, werden nachweislich durch Licht aktiviert [B.B. Buchanan Annu. Rev. Plant Physiol. 32 (1981) 349-383].
Die Hauptbeweise für den C. stammen aus:
1) Untersuchungen des zeitabhängigen Entstehens markierter Zwischenprodukte, wenn ein photosynthetisierender Organismus unter Bedingungen des stationären Zustands 14CO2 ausgesetzt wird; nach 5 Sekunden ist 3-PGA 14C-markiert und nach 30 Sekunden sind alle Zwischenprodukte markiert, was beweist, dass 3-PGA das Carboxylierungsprodukt ist.
2) Markierungsmustern der Kohlenstoffkette von Zwischenprodukten nach einer kurzzeitigen Photosynthese in Gegenwart von 14CO2, das der erwarteten und in der Abb. formulierten Reaktionsfolge entspricht.
3) der Demonstration, dass der Spiegel von 3-PGA im stationären Zustand steigt und der von Ru-1,5-dP auf Null fällt, wenn ein photosynthetisierender Organismus einer Dunkelperiode ausgesetzt wird (wenn NAD(P)H oder ATP nicht gebildet werden konnten), aber im Licht wieder zum Normalzustand zurückkehrt; darüber hinaus wiederholt sich dieses Muster der 3-PGA- und Ru-1,5-dP-Konzentrationen während sukzessiver Licht-Dunkel-Zyklen unendlich oft, was beweist, dass diese zwei Verbindungen durch eine zyklische Reaktionsfolge miteinander in Beziehung stehen und nicht durch eine lineare.
4) der Demonstration, dass alle für den Zyklus benötigten, in der Abb. aufgeführten Enzyme in den Chloroplasten der Pflanzen und im Cytoplasma der photosynthetisierenden Bakterien, die den C. durchführen, vorhanden sind. [W. Martin et al. "Microsequencing and c-DNA cloning of the Calvin cycle/oxidative pentose phosphate pathway enzyme ribose-5-phosphate isomerase (EC 5.3.1.6) from spinach chloroplasts" Plant Molecular Biology 30 (1996) 795-805]



Calvin-Zyklus. Der Calvinsche reduktive Pentosephosphat-Zyklus in den Chloroplasten und die damit verbundene Saccharosesynthese im Cytoplasma. Die Stöchiometrie des Zyklus wird durch Nummern an den Reaktionspfeilen angegeben; A = Ribulosediphosphat-Carboxylase, EC 4.1.1.39; B = Phosphoglycerinsäure-Kinase, EC 2.7.2.3; C = 3-Phosphoglycerinaldehyd-Dehydrogenase, EC 1.2.1.13; D und N = Triosephosphat-Isomerase, EC 5.3.1.1; E, H und O = Fructosediphosphat-Aldolase, EC 4.1.2.13; F und P = Fructose-Diphosphatase, EC 3.1.3.11; G und J = Transketolase, EC 2.2.1.1; I = Sedoheptulose-Diphosphatase, EC 3.1.3.37; K = Ribulosephosphat-3-Epimerase, EC 5.1.3.1; L = Ribosephosphat-Ketol-Isomerase, EC 5.3.1.6; M = Phosphoribulo-Kinase, EC 2.7.1.19; O = Fructosediphosphat-Aldolase, EC 4.1.2.13; P = Fructose-Diphosphatase, EC 3.1.3.11; Q = Glucosephosphat-Ketol-Isomerase, EC 5.3.1.9; R = Phosphogluco-Mutase, EC 2.7.5.1; S = Glucosephosphat-Uridyltransferase, EC 2.7.7.9; T = Saccharosephosphat-Synthase, EC 2.1.4.14; U = Saccharose-Phosphatase, EC 3.1.3.24.

Schreiben Sie uns!

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

  • Die Autoren

Partnerinhalte