Valosta riippumattomat reaktiot ja hiilen kiinnittyminen
Lyhyt johdanto
Hiilen kiinnittymisen yleisenä periaatteena on se, että jotkin solut tietyissä olosuhteissa pystyvät ottamaan epäorgaanista hiiltä, eli hiilidioksidia, (johon viitataan myös nimellä mineralisoitunut hiilidioksidi) ja vähentämään sen käyttökelpoiseen muotoon soluissa. Useimmat meistä ovat tietoisia siitä, että vihreät kasvit voivat ottaa hiilidioksidia ja tuottaa O2:ta prosessissa, joka tunnetaan nimellä fotosynteesi. Olemme jo keskustelleet valofosforylaatiosta eli solun kyvystä siirtää valoenergiaa kemikaaleihin ja lopulta tuottaa energiankantajia ATP:tä ja NADPH:ta prosessissa, joka tunnetaan nimellä valoreaktiot. Fotosynteesissä kasvisolut käyttävät valofosforylaatiossa muodostunutta ATP:tä ja NADPH:ta pelkistääkseen hiilidioksidia sokeriksi (kuten tulemme näkemään, erityisesti G3P:ksi) niin sanotuissa pimeässä tapahtuvissa reaktioissa. Vaikka arvostammekin sitä, että tämä prosessi tapahtuu vihreissä kasveissa, fotosynteesi on evolutiivisesti peräisin bakteerimaailmasta. Tässä moduulissa käymme läpi Calvinin syklin yleiset reaktiot, reduktiivisen reitin, joka liittää CO2:n solumateriaaliin.
Fotosynteettisissä bakteereissa, kuten syanobakteereissa ja violeteissa rikittömissä bakteereissa sekä kasveissa, valofosforylaatiosta saatu energia (ATP) ja pelkistävä voima (NADPH) – termi, jota käytetään kuvaamaan elektroninkuljettajia pelkistyneessä tilassaan – kytkeytyy ”hiilen fiksaatioon” (Carbon Fixation), eli epäorgaanisen hiilen (hiilidioksidin, CO2:n) liittämiseen orgaanisiin molekyyleihin; aluksi glyseraldehydi-3-fosfaatiksi (glyceraldehydi-3-fosfaatiksi, G3P:ksi, G3P:ksi, ja lopulta glukoosiksi. Eliöitä, jotka voivat saada kaiken tarvitsemansa hiilen epäorgaanisesta lähteestä (CO2), kutsutaan autotrofeiksi, kun taas organismeja, jotka tarvitsevat hiilen orgaanisia muotoja, kuten glukoosia tai aminohappoja, kutsutaan heterotrofeiksi. Hiilen sitomiseen johtavaa biologista reittiä kutsutaan Calvinin sykliksi, ja se on pelkistävä reitti (kuluttaa energiaa/käyttää elektroneja), joka johtaa CO2:n pelkistymiseen G3P:ksi.
Calvinin sykli: CO2:n pelkistyminen glyseraldehydi-3-fosfaatiksi
Kuva 1. Valoreaktiot valjastavat auringon energian tuottamaan kemiallisia sidoksia, ATP:tä ja NADPH:ta. Nämä energiaa kuljettavat molekyylit valmistetaan stroomassa, jossa tapahtuu hiilen sidonta.
Kasvisoluissa Calvinin sykli sijaitsee kloroplastissa. Vaikka prosessi on samanlainen bakteereissa, niissä ei ole erityisiä organelleja, joissa Calvinin sykli sijaitsee, vaan reaktiot tapahtuvat sytoplasmassa plasmakalvosta peräisin olevan monimutkaisen kalvojärjestelmän ympärillä. Tämä solunsisäinen kalvojärjestelmä voi olla varsin monimutkainen ja hyvin säännelty. On olemassa vahvaa näyttöä, joka tukee hypoteesia, jonka mukaan kloroplastit ovat peräisin syanobakteerien ja varhaisten kasvisolujen välisestä symbioosista.
Vaihe 1: Hiilen sitominen
Kasvien kloroplastien stroomassa on hiilidioksidin lisäksi kaksi muuta komponenttia, jotka käynnistävät valosta riippumattomat reaktiot: entsyymi nimeltä ribuloosi-1,5-bisfosfaattikarboksylaasi/oksygenaasi (RuBisCO) ja kolme molekyyliä ribuloosa-bisfosfaattia (RuBP), kuten alla olevassa kuvassa esitetään. Ribuloosi-1,5-bisfosfaatti (RuBP) koostuu viidestä hiiliatomista ja sisältää kaksi fosfaattia.
Kuvio 2. Ribuloosa-1,5-bisfosfaatti. Calvinin syklissä on kolme vaihetta. Vaiheessa 1 entsyymi RuBisCO liittää hiilidioksidia orgaaniseen molekyyliin, 3-PGA:han. Vaiheessa 2 orgaaninen molekyyli pelkistyy NADPH:n toimittamien elektronien avulla. Vaiheessa 3 RuBP, molekyyli, joka käynnistää syklin, regeneroidaan, jotta sykli voi jatkua. Vain yksi hiilidioksidimolekyyli liitetään kerrallaan, joten sykli on suoritettava kolme kertaa yhden kolmihiilisen GA3P-molekyylin tuottamiseksi ja kuusi kertaa kuusihiilisen glukoosimolekyylin tuottamiseksi.
RuBisCO katalysoi CO2:n ja RuBP:n välistä reaktiota. Jokaista yhden RuBP:n kanssa reagoivaa CO2-molekyyliä kohti muodostuu kaksi molekyyliä toista yhdistettä (3-PGA). PGA:ssa on kolme hiiltä ja yksi fosfaatti. Jokaisessa kierrossa on mukana vain yksi RuBP ja yksi hiilidioksidi ja muodostuu kaksi molekyyliä 3-PGA:ta. Hiiliatomien lukumäärä pysyy samana, koska atomit siirtyvät muodostamaan uusia sidoksia reaktioiden aikana (3 atomia 3CO2:sta + 15 atomia 3RuBP:stä = 18 atomia 3 atomissa 3-PGA:ta). Tätä prosessia kutsutaan hiilen kiinnittymiseksi, koska CO2 ”kiinnittyy” epäorgaanisesta muodosta orgaaniseksi molekyyliksi.
Vaihe 2: Pelkistyminen
ATP:n ja NADPH:n avulla muunnetaan kuusi molekyyliä 3-PGA:ta kuudeksi molekyyliksi kemikaalia nimeltä glyseraldehydi-3-fosfaatti (G3P) – hiiliyhdisteeksi, jota esiintyy myös glykolyysissä. Prosessissa käytetään kuusi molekyyliä sekä ATP:tä että NADPH:ta. ATP:n hydrolyysin eksergoninen prosessi ajaa endergonisia redox-reaktioita, joissa syntyy ADP ja NADP+. Molemmat näistä ”käytetyistä” molekyyleistä (ADP ja NADP+) palaavat läheisiin valosta riippuvaisiin reaktioihin kierrätettäviksi takaisin ATP:ksi ja NADPH:ksi.
Vaihe 3: Regeneroituminen
Huomiota herättää se, että tässä vaiheessa vain yksi G3P-molekyyleistä poistuu Calvinin-kierrosta osallistuakseen muiden organismin tarvitsemien yhdisteiden muodostamiseen. Koska kasveissa Calvinin syklistä vietävässä G3P:ssä on kolme hiiliatomia, Calvinin syklin kolme ”kierrosta” tarvitaan, jotta voidaan sitoa riittävästi nettohiiltä yhden G3P:n vientiä varten. Jokainen kierros tuottaa kuitenkin kaksi G3P:tä, joten kolme kierrosta tuottaa kuusi G3P:tä. Yksi viedään, kun taas loput viisi G3P-molekyyliä jäävät kiertoon ja niitä käytetään RuBP:n uudistamiseen, jolloin järjestelmä voi valmistautua sitomaan lisää hiilidioksidia. Näissä regeneraatioreaktioissa käytetään vielä kolme ATP-molekyyliä.
Lisäisiä kiinnostavia linkkejä
Khan Academy Linkit
-
Calvinin sykli
Chemwiki linkit
-
Calvin. Cycle
YouTube-videot
-
3D-animaatio kasvien fotosynteesistä
-
Calvin Cycle