Chương 9: Sự chuyển hóa carbon
Chu trình Calvin là con đường quang hợp chính để cố định carbon

Con đường chuyển hóa carbon trong thực vật từ sự khử CO
2
từ đường được biết đến là
chu trình Calvin, sau khi nhà hóa học người Mỹ Melvin Calvin, cùng các cộng sự,
khám phá ra con đường chuyển hóa xuất sắc này vào cuối thập niên 1940 và 1950. Chu
trình thường được gọi là chu trình Calvin – Benson – Bassham, hay chu trình CBB, sau
khi Andrew Benson và James Bassham người cộng tác với Calvin và đóng góp quan
trọng trong việc làm sáng tỏ chu trình. Thỉnh thoảng nó cũng được gọi là chu trình khử
pentose phosphate, hay chu trình RPP. Nhóm của Calvin sử dụng 2 kỹ thuật mới để hỗ
trợ cho việc giải mã các phản ứng sinh hóa phức tạp này: giấy sắc ký 2 kích cỡ và chất
đánh dấu phóng xạ. Đây là tác dụng có ý nghĩa đầu tiên của các chất đánh dấu phóng
xạ trong hóa sinh học. Về việc này, Calvin đã được thưởng giải Nobel năm 1961 về hóa
học.
Kỹ thuật ghi sắc ký cho phép sự phân chia của hàng tá hợp chất được tìm thấy trong tế
bào của cơ thể mà chúng sử dụng, tảo lục Chlorella pyrenoidosa. Chất đánh dấu phóng
xạ được cung cấp cho sự cấy bằng việc sử dụng
14
CO
2
, và sự cấy được ủ trong ánh sáng
qua nhiều khoảng thời gian khác nhau và rồi bị làm nguội liên tục bởi việc phun vào
rượu sôi. Trước khi thêm vào các hoạt động phóng xạ, tế bào đã được chiếu sáng trong
một dụng cụ gọi là “kẹo que”, mà cung cấp thậm chí sự chiếu sáng và việc thao tác dễ
dàng (Hình 9.1). Phương pháp này cho phép sự đo đạc đến mức giây sau khi thêm vào
14
CO
2
. Với hệ thống thí nghiệm này, hợp chất được hình thành đầu tiên dựa trên sự hợp

nhất
14
CO
2
là chỉ những chất ký hiệu trong thí nghiệm của khoảng thời gian ngắn, trong
khi những thí nghiệm lâu hơn tạo ra một bộ sản phẩm phức tạo hơn.
Hợp chất đầu tiên được đánh dấu bởi
14
CO
2
là 3-phosphoglyceric acid (PGA), theo sau
bởi đường phosphate và, sau đó, các amino acid, acid hữu cơ, aldehyde và ketone. Sự
thêm của nguyên tử carbon đơn là một sự báo trước cho việc đưa một sản phẩm 3
carbon được cho là phân tử trước có thể là một hợp chất 2 carbon. Tuy nhiên, không có
chất dự đoán 2 carbon bao giờ được nhận biết. Việc tìm ra rằng đường phosphate 5
carbon được dẫn đến từ việc dự đoán rằng chất trước có thể là một hợp chất 5 carbon,
và rằng hợp chất 6 carbon kết quả đã không ổn định và bị phá vỡ nhanh chóng thành 2
hợp chất 3 carbon. Đây là chìa khóa mấu chốt, và các nguyên tố cơ bản của chu trình
được sáng tỏ. Chất tiền thân 5 carbon đã được chứng minh là ribulose 1,5-biphosphate
(RuBP). Chú ý rằng cả ATP lẫn NADPH được sản xuất bởi chuỗi chuyền điện tử đều
không được dùng trong phản ứng mà chuyển hóa RuBP và CO
2
thành PGA, mà được
gọi là sự carboxyl hóa. Chi tiết của phản ứng này được xem xét bên dưới.
Ba giai đoạn của chu trình Calvin là carboxyl hóa, sự khử, và sự phục hồi RuBP.
Chu trình Calvin là một chuỗi phản ứng hóa học phức tạp mà đầu tiên có thể dường
như đáng sợ. Tuy nhiên, toàn thể chu trình có thể được chia làm 3 giai đoạn, mà được
hiểu một cách dễ dàng. Ba giai đoạn: Carboxyl hóa, giai đoạn khử và giai đoạn tái tạo
được miêu tả giản đồ minh họa trong hình 9.3. Toàn bộ chu trình được cho thấy trong
hình 9.4, và các phản ứng được tổng kết trong bảng 9.1. Bước carboxyl hóa tạo ra

PGA. Pha khử sử dụng NADPH và vài ATP được sản xuất bởi chuỗi truyền điện tử để
khử PGA thành đường triose phosphate. Hầu hết đường triose phosphate được sử dụng
để tái tạo RuBP trong 1 chuỗi các phản ứng phức tạp, trong khi một số được rút cho sự
tổng hợp tinh bột trong tế bào chất.
1
Hầu hết các phản ứng mà tạo nên chu trình Calvin đồng nhất để các phản ứng chuyển
hóa mà được biết rõ trong các mô không quang hợp, bao gồm sự hình thành glucose và
chu trình oxi hóa pentose phosphate. Enzyme mà xúc tác các bước này được thuật lại rõ
ràng như hoạt động trong các phản ứng không quang hợp, nhưng đặc hiệu cho vai trò
của chúng trong quá trình quang hợp, thường trong kỹ thuật của sự điều tiết. Hai phản
ứng độc nhất trong chu trình Calvin mà không tìm thấy trong các quá trình chuyển hóa
trong nhiều tế bào là phản ứng carboxyl hóa và bước cuối cùng trong tái tạo RuBP.
Rubisco là enzyme của quá trình carboxyl hóa
Một enzyme đáng chú ý được gọi là ribulose biphosphate carboxylase/ oxygenase, hay
rubisco, thực hiện bước carboxyl hóa trong sự cố định carbon. Rubisco là một enzyme
phức tạp mà được điều chỉnh cao và trình bày thành 2 hoạt động riêng biệt: sự carboxyl
hóa và sự oxy hóa. Sự oxy hóa là một hoạt động dư thừa và được thảo luận chi tiết hơn
bên dưới.
Rubisco từ thực vật bậc cao và đa số vi khuẩn quang hợp bao gồm 8 bản sao mỗi tiểu
phần lớn (L) 51 – 58 kDa và tiểu phần nhỏ (S) 12 – 18 kDa, đưa một cấu trúc bậc 4
L
8
S
8
(hình 9.5). Tiểu phần lớn chứa mặt xúc tác, mà được chia sẻ giữa 2 tiểu phần lớn,
vì vậy phức hệ hoạt động tối thiểu là một dimer L
2
. Vài vi khuẩn quang hợp tía chưa 2
loại phức hệ rubisco: cả hệ dimer L
2

và phức hệ L
8
S
8
. Chức năng của tiểu phần nhỏ
chưa được hiểu rõ, nhưng nó có thể làm ổn định phức hệ L
8
S
8
hay trong một cách nào
đó, làm tăng hiệu ứng xúc tác. Trong đa số cáci sinh vật quang hợp nhân chuẩn, các
tiểu phần nhỏ (S) được mã hóa nhân, ngược lại, tiểu phần lớn lại được mã hóa lục lạp
(một vài ngoại lệ cho luật tổng quát này sẽ được thảo luận ở chương 11). Sự phối trí
của sự sát nhập và tập hợp 2 tiểu phần được thảo luận ở chương 10. Chaperonin, phức
hệ gấp nếp của protein, là cốt yếu cho sự tổ hợp rubisco.
2
Năng lượng học của quá trình carboxyl hóa tỏa nhiệt rất mạnh (ΔG
o
’= -35 kJ mol
-1
), vì
vậy sự carboxyl hóa là một phản ứng không thuận nghịch cần thiết. Cơ chế của phản
ứng được cho là gồm sự tự phát hình thành của một dạng enediol của RuBP. Sự hình
thành enediol được theo sau bởi sự carboxyl hóa, để đưa dạng trung gian không ổn
định, 2-carboxy-3-ketoarabinitol-1,5-bisphosphate, theo sau bởi sự đứt gãy tự phát của
nó thành 2 phân tử PGA, một phân tử mà chứa phân tử carbon mà được nhận lấy từ
CO
2
từ không khí (hình 9.6).
Trước khi rubisco có thể trở thành hoạt động xúc tác, một lysine trong mặt hoạt động

phải được sửa đổi bởi sự carbamyl hóa. Trong quá trình này, một phân tử CO
2
(không
phải phân tử mà đã được cố định thành photosynthate) phản ứng với nhóm ε-amino của
lysine đặc hiệu trong tiếu phần lớn, như được nêu ra trong hình 9.7. Một ion Mg
2+
phối
trí cho carbamyl còn lại để tạo thành dạng hoạt động của enzyme. Carbamate được cho
là hoạt động như một base chung, làm dễ sự hình thành của chất trung gian enediol.
RuBP gắn rất chặt vào rubisco, thay đổi dạng cấu tạo của rubisco theo hướng mà khóa
một cách hiệu quả lối vào mặt hoạt động nhóm carbamyl. Nếu RuBP gắn vào trước khi
sự carbamyl hóa xảy ra thì enzyme mắc kẹt trong trạng thái chưa hoạt hóa. Một enzyme
khác, rubisco activase, xúc tiến sự carbamyl hóa của rubisco, chắc chắn bằng thay thế
cấu trúc của rubisco theo cách mà làm yếu sự liên kết của RuBP với enzyme chắc hoạt
hóa. Vì tiến trình này đòi hỏi phải có ATP, hoạt động của rubisco thay đổi với cường
độ ánh sáng, vì vậy tỉ lẹt của sự carboxyl hóa là điều hòa phối trí với hoạt động của
chuỗi truyền điện tử. Ngoài RuBP, rubisco activase cũng làm dễ dàng loại bỏ các hợp
chất khác mà đính vào trung tâm hoạt động của rubisco, bao gồm carboxyarabinitol-1-
phosphate, một chất ức chế xuất hiện tự nhiên, cũng như xylulose 1,5-biphosphate, một
isomer không phản ứng của RuBP mà có thể hình thành trên enzyme và ức chế hoạt
động của nó.
Phản ứng thay thế quan trọng nhất mà rubisco xảy ra bao gồm sự tác dụng với O
2
thay
vì CO
2
và vì thế, được gọi là sự oxy hóa. Sự oxy hóa là một sự hút đáng kể trên tài
nguyên của thực vật, vì trong nhiều loài thực vật nó xảy ra xấp xỉ một phần ba thời gian
thay cho sự carboxyl hóa. Quá trình này được nêu ở hình 9.8.
Vì CO

2
và O
2
là các cơ chất cạnh tranh, tỉ lệ của phản ứng carboxyl hóa và oxy hóa
được quyết định bởi tỉ lệ xúc tác và sự giống nhau về cấu trúc của rubisco cho 2 cơ
chất, được cân nặng bởi sự tập trung của CO
2
và O
2
trong không khí. Nếu nồng độ CO
2

cao thì sẽ diễn ra quá trình carboxyl hóa, và ngược lại, nếu nồng độ oxy cao thì diễn ra
quá trình oxy hóa
Chi tiết về các phản ứng khác của chu trình Calvin:
Sau cacboxylat hóa, các bước tiếp theo trong chu trình Calvin là một bước phosphoryl
hóa, mà được theo sau bởi sự khử PGA được hình thành ở bước cacboxylat hóa (Heldt,
1997; Sharkey, 1998; Taizand Zeiger, 1998; Martin et al, 2000.). Chung, chúng được
gọi là thứ giảm giai đoạn (hình 9,9). Hóa học, những phản ứng này gần giống với các
bước của glycolysis (và phản ứng ngược, gluconeogenesis) và được xúc tác bằng
enzym được tiến hóa liên quan đến các enzym glycolytic cytosolic photphoglyxerat
kinase và ATP được tạo ra bởi ánh sáng phụ thuộc phản ứng.
Bước tiếp theo là giảm BPG để glyceraldehydes 3-phosphate (GAP) bằng cách sử dụng
NADPH và các enzym NADP-glyceraldehydes phosphat dehydrogenase. Một Phos-
phate nhóm cũng được phát hành như là một phần của phản ứng này. Cơ chế của phản
ứng trong-volves một hình liên kết thioester với dư lượng Cys của các enzym với việc
phát hành phosphat, tiếp theo là giảm với NADPH, và cuối cùng phát hành của Alde-
hyde sản phẩm. Phản ứng tổng thể trong giai đoạn này của chu kỳ Calvin là giảm một
3
axít cacboxylic để aldehyde một. Các cao năng lượng thioester trung gian được hình

thành tại các chi phí của các phosphat năng lượng cao từ ATP.
Enzyme triose phosphate isomerase xúc tác các epuilibrium nhanh chóng giữa GAP và
phosphat dihydroxyacetone (DHAP), thông qua một 1,2 enediol trung gian. Nhanh
chóng cân bằng giữa hai loại đường thse đảm bảo rằng họ phản ứng như hồ bơi, và gọi
chung họ được gọi phosphat triose. Các bể phốt triose là điểm khởi đầu cho giai đoạn
cuối cùng của chu trình Calvin, sự tái sinh của RuBP, cũng như điểm của ewport của
sản phẩm giảm từ lạp lục này. Quá trình này sau này được mô tả dưới đây.
Giai đoạn tái sinh của các chu trình Calvin là một loạt các phản ứng phức tạp, trong đó
ba-cacbon triose phosphat được tái sinh vào năm-cacbon đường ribulose 5-phosphat
(Ru5P) (hình 9,4). Có bốn, năm, sáu và bảy-bon trung gian, erythorose 4-phosphat
(E4P), xylulose 5-phosphat (X5P), Ribose 5-phosphat (R5P), fructose 1,6-bisphosphate
(FBP), fructose 6-phosphat (F6P), sedoheptulose 1,7-bisphosphate (SBP) và
sedoheptulose 7-bisphosphate (S7P). Giai đoạn tái sinh có vẻ ghê gớm, nhưng nó thực
sự là một reshuffling của bộ xương cacbon để sản xuất cần năm-cacbon trong chu trình
chuyển hóa chất nền nonphotosynthetic, và enzyme lạp lục là rất giống với những
cytosolic. Định rằng các khía cạnh khác nhau cho enzemes lạp lục, và những cái
cytosolic được disussed dưới đây
Bước cuối cùng trong giai đoạn tái sinh liên quan đến các phosphoryl của Ru5P cho
RuBP sử dụng phosphoribulokinase enzym (hình 9,4). Enzym Đây là một trong hai
enzym (phương pháp khác là rubiso) mà là duy nhất để chuyển hóa quang cacbon. Các
RuBP thực hiện trong phản ứng này đã sẵn sàng để trải qua một ccycle của
caboxylation, giảm nghèo và tái sinh
Các tính hợp thức và hiệu quả của các phản ứng chu trình Calvin (bỏ)
(Stoichiometry is sự tính toán mối quan hệ định lượng của tác chất và sản phẩm trong
một phản ứng hóa học đã cân bằng. Nó có thể được sử dụng để tính toán định lượng
như số lượng sản phẩm mà có thể được sản xuất với tác chất lý thuyết và tác chất đã
phản ứng trong thực tế))(hiểu nôm na là tỉ số cân bằng phản ứng)
Các hóa học lượng pháp tổng thể của chu trình Calvin từ CO
2
để triose phosphat được

cho tại Eq.9.3.
3CO
2
9 ATP4-+ 6NADPH DHAP2-+ 9ADP3_ + 8Pi2-+6 NADP + +3 H + (9,3)◊+
5H2O
Điều này bao gồm ba ATP và NADPH hai yêu cầu cho đồng hóa của mỗi trong ba phân
tử CO2 cần thiết để tạo thành một phân tử phosphat triose, bao gồm cả tái sinh của
cùng một lượng RuBP như tiêu thụ. Như thảo luận trong Chương 7, giá trị hiện đại chỉ
ra rằng đây là số tiền của những tác chất cung cấp bởi các phản ứng ánh sáng cho O2
mỗi sản xuất. Các triose phosphat, hoặc có thể được rút ra khỏi bởi xuất khẩu từ lạp
lục, như mô tả dưới đây, hoặc có thể được sử dụng để tổng hợp tinh bột có trong các
lạp lục. Ngoài ra, nó có thể được tái đầu tư để hình thành các phân tử khác của RuBP
và do đó làm tăng Chất chuyển hóa có sẵn. Nếu các-bon này được sử dụng để tạo thêm
RuBP, phản ứng tổng thể được cho bởi Eq.9.4.
5CO2 9 H2O 16 RuBP4-+ 14Pi2-+6 H + 16ADP3-+10 NADP +◊ATP4-+10 NADPH
(9,4)
4
Kết quả có được là chu kỳ các phản ứng để tăng mức độ bề mặt, được gọi là
autocatalytic. Điều này trái ngược với những trường hợp với chu trình TCA trong sự
trao đổi chất hiếu khí. Các chu trình TCA là một chu trình xúc tác, trong đó các hoạt
động bình thường của chu kỳ không thay đổi nồng độ của bể Chất chuyển hóa.
Lưu ý rằng cả hai Eq.9.3 và Eq.9.4 là phản ứng hóa học cân bằng mà chính xác mô tả
các chu trình Calvin. Chúng khác nhau ở xem phosphat triose được sử dụng để tạo
thêm RuBP hoặc được rút ra đi. Điều này có thể khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu của
nhà máy. Khi nhà máy đã được trong tối, mức RuBP là tương đối thấp, vì vậy hầu hết
các-bon được tái đầu tư để tăng năng lực của các chu trình. Khi mức độ trung gian chu
kỳ là đủ, sau đó rút ra các-bon là giảm ở mức độ phosphat triose.
Làm thế nào hiệu quả là chu trình Calvin về cân bằng năng lượng? Hiệu quả năng
lượng tổng thể của quang trong ánh sáng màu đỏ đã được tính toán được 27% trong
Chương 3. Điều này bao gồm thiệt hại do tất cả các giai đoạn của quá trình này, từ

năng lượng bẫy qua quang hóa học thấp , trung điện tử chuyển giao quy trình, sản xuất
ATP và định hình cacbon. Có thể cô lập hiệu quả của chu kỳ chỉ bằng cách xem xét
Calvin nhiệt động của quá trình tổng thể tính toán trong Chương 3 so với nhiệt động
của các phản ứng ánh sáng. Tổng số tiêu chuẩn năng lượng nhà nước lưu trữ cho mỗi
CO2 cố định và phát triển O2 là 479,5 kj mol-1 từ Eq. B4 trong Chương 3. Năng lượng
lưu trữ trong các phản ứng ánh sáng là năng lượng từ redox giảm NADPH và ôxi hóa
H2O cộng với liên kết năng lượng phosphate từ ATP hình thành. Sử dụng tiềm năng
redox định trong Bảng A2 cùng với Eq. A 25, đầu vào năng lượng redox được tìm thấy
là 440 kjmol-1 cho mỗi CO2 và O2 cố định phát triển. Năng lượng trái phiếu phosphat
là 31 kjmol-1 cho mỗi ATP thành lập, với tổng số 93 kjmol-1 cho ba phân tử ATP. Như
vậy tổng số năng lượng đầu vào cho các chu trình Calvin là + 533 Kjmol-1 cho mỗi
CO2 cố định, trong đó có 479,5 kj mol-1 được thu hồi, cho một hiệu quả tổng thể của
90%. Trong số này đầu vào năng lượng, khoảng 80% đến từ năng lượng redox (440 /
533), và 20% từ năng lượng trái phiếu phosphat (93 / 533). Tất nhiên, đây là những giá
trị trạng thái tiêu chuẩn nhiệt, và các giá trị thực tế, trong đó có nồng độ thực của các
loài hóa khác nhau, có thể đưa ra một chút giá trị khác nhau.
Chu trình Calvin được điều chỉnh bởi sự khử đisulfua của các enzym chủ chốt và
các phong trào ion
Như đã nói ở trên, hầu hết các enzyme của chu trình Calvin liên quan chặt chẽ với các
enzym có xúc tác các phản ứng tương tự trong các khoang khác của tế bào.
Tuy nhiên, một số của các enzym chu trình Calvin được kích hoạt bằng cách giảm liên
kết disulfua giữa các dư lượng cysteine để tạo ra hình thức sulfhydryl của cysteine.
giảm này là trung gian bởi thioredoxin, một khử nhỏ - hoạt động protein mà cũng chứa
một cặp residuse cysteine rằng có thể là oxy hóa, giảm (Buchanan, 1991; Jacquot et al.,
1997).
Thioredoxin l giảm một enzyme, oxidoreductase thioredoxin ferredoxin -, lần lượt giảm
ferredoxin sản xuất trong các phản ứng ánh sáng.
Thác này khử được hiển thị dạng biểu đồ trong Fig.9.10.
Các ferredoxin - thioredoxin reductase (FTR) có hình dạng phẳng và mỏng khác thường
(Đại et al., 2000)

Ferredoxin gắn trên một mặt và chuyển khoản điện tử với một Fe - S cluster mà sau đó
chuyển chúng vào thioredoxin, mà gắn ở phía bên kia.
Một đisulfua trộn giữa FTR và thioredoxin là một trung gian
5