Calvin-Zyklus

Grundprinzip und Ablauf

Der Calvin-Zyklus ist eine zyklische Folge enzymatischer Reaktionen, in der Kohlenstoffdioxid (CO₂) zu Glucose reduziert und damit assimiliert wird. Er wird auch Calvin-Benson-Zyklus, Calvin-Benson-Bassham-Zyklus (CBB), Ribulosebisphosphatzyklus oder reduktiver Pentosephosphat-Zyklus genannt.

Bei Pflanzen läuft er im Stroma der Chloroplasten ab, bei Bakterien im Cytoplasma. Seine drei Phasen sind: CO₂-Fixierung, Reduktion des primären Fixierungsproduktes 3-Phosphoglycerat und Regeneration des CO₂-Akzeptors Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP).

Für die Reduktion wird NADPH als Reduktionsmittel benötigt; es wird zu NADP⁺ oxidiert. Die Reaktionen benötigen außerdem Energie aus ATP, das zu ADP und Phosphat gespalten wird. Photoautotrophe Lebewesen stellen ATP und NADPH in der Lichtreaktion der Photosynthese bereit, chemoautotrophe Lebewesen durch exergone Reaktionen ihres Energiestoffwechsels. Die frühere Bezeichnung „Dunkelreaktion“ ist irreführend: Die Kohlenstofffixierung ist streng lichtreguliert und läuft bei Phototrophen nicht im Dunkeln ab.

Fixierung und Reduktion von Kohlenstoffdioxid

Das Schlüsselenzym RuBisCO katalysiert die Carboxylierung: CO₂ wird an Ribulose-1,5-bisphosphat als Akzeptormolekül addiert. Dabei entsteht zunächst die hochgradig instabile Zwischenstufe 3-Keto-2-carboxyarabinitol-1,5-bisphosphat. Nach Aufnahme eines Wassermoleküls zerfällt sie spontan in zwei Moleküle 3-Phosphoglycerat (3-PG beziehungsweise PGA).

3-Phosphoglycerat ist bei C₃-Pflanzen das erste fassbare Zwischenprodukt. Pro gebundenem CO₂ entstehen netto zwei Moleküle Phosphoglycerat; eines davon enthält den neu fixierten Kohlenstoff. 3-PG ist auch ein Zwischenprodukt von Gluconeogenese und Glykolyse sowie ein Vorläufer für Stärke, wird im Calvin-Zyklus jedoch zunächst weiter reduziert.

Dazu phosphoryliert die Phosphoglyceratkinase 3-Phosphoglycerat unter ATP-Verbrauch zu 1,3-Bisphosphoglycerat. Danach reduziert eine lichtaktivierte Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase dieses Molekül zu Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP oder G3P); dabei wird NADPH benötigt. Im Unterschied zum cytoplasmatischen Enzym der Gluconeogenese verwendet das chloroplastäre Enzym NADPH statt NADH.

GAP und das mit ihm im Gleichgewicht stehende Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) heißen Triosephosphate. Erst nach drei Umläufen des Zyklus bleibt in der Bilanz ein Molekül GAP als Assimilationsgewinn für weitere Biosynthesen übrig.

Regeneration und Energiebilanz

Damit der Zyklus weiterlaufen kann, müssen aus fünf der sechs bei der Fixierung von drei CO₂ entstandenen Triosephosphate drei Moleküle RuBP regeneriert werden. Im reduktiven Pentosephosphatweg werden dazu drei Moleküle GAP und zwei Moleküle DHAP über Zucker-Zwischenprodukte mit 3, 4, 6 und 7 Kohlenstoffatomen in drei C₅-Moleküle umgewandelt. Aldolasen, Transketolasen und Phosphatasen sind dabei besonders wichtige Enzyme.

Die entstehenden drei Moleküle Ribulose-5-phosphat werden durch die Ribulose-5-phosphat-Kinase mit ATP zu drei Molekülen Ribulose-1,5-bisphosphat phosphoryliert. Damit ist der CO₂-Akzeptor wieder vorhanden.

Für drei CO₂ lautet die Summengleichung: 3 CO₂ + 6 NADPH + 6 H⁺ + 9 ATP + 5 H₂O → GAP + 6 NADP⁺ + 9 ADP + 8 Pᵢ.

Je drei CO₂ benötigen somit neun ATP und sechs NADPH. Sechs ATP und sechs NADPH werden für die Reduktion von sechs Molekülen Glycerinsäure-3-phosphat zu sechs Molekülen GAP eingesetzt; drei weitere ATP werden für die Regeneration verbraucht. Zwei GAP können anschließend umgesetzt werden: 2 GAP + 2 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 2 Pᵢ.

Regulation und Verwendung der Kohlenhydrate

Mehrere Enzyme des Zyklus benötigen Licht zur Aktivierung: RuBisCO, die Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase, Fructose-1,6-bisphosphat-Phosphatase, Sedoheptulose-1,6-bisphosphat-Phosphatase, Sedoheptulose-1,7-bisphosphat-Phosphatase und Ribulose-5-phosphat-Kinase. In Dunkelheit sind sie inaktiv, weil Energie und Reduktionsäquivalente für die Assimilation fehlen.

Die Aktivierung erfolgt über das Ferredoxin-Thioredoxin-System. Ferredoxin aus der Lichtreaktion überführt Thioredoxin von der Disulfid- (S–S-) in die Dithiolform (SH). Thioredoxin reduziert Disulfidbrücken der Enzyme und aktiviert sie. Im Dunkeln oxidiert molekularer Sauerstoff die Dithiolform wieder zur Disulfidform; dabei entsteht Wasser.

Bei Pflanzen kann das nach drei Zyklusdurchläufen verfügbare GAP zur Stärkebildung im Chloroplasten dienen. Stärke lagert sich dort zunächst als Granula ab. Triosephosphate können auch ins Cytoplasma gelangen und dort zu Saccharose umgesetzt werden. Saccharose ist die wichtigste Transportform der Kohlenhydrate und gelangt durch die Siebröhren des Phloems zu Speicherorganen wie Wurzeln, Knollen und Mark. Dort kann sie gespeichert oder etwa für Glykolyse sowie die Synthese von Cellulose, Nukleotiden und anderen zuckerhaltigen Zellbestandteilen verwendet werden.

Photosynthesetypen, Pyruvat und Bedeutung

Bei normalem CO₂-Partialdruck der Luft ist RuBisCO ineffizient. C₄- und CAM-Pflanzen vermindern daher die Photorespiration durch eine ATP-getriebene CO₂-Pumpe: Aus Pyruvat entsteht mithilfe der chloroplastischen Pyruvat-Phosphat-Dikinase unter ATP-Einsatz Phosphoenolpyruvat (PEP). Eine cytosolische PEP-Carboxylase bindet Hydrogencarbonat (HCO₃⁻) an PEP; es entsteht die C₄-Verbindung Oxalacetat (OA).

In C₄-Pflanzen wird OA als L-Malat oder L-Aspartat in Bündelscheidenzellen transportiert, dort wieder zu OA umgewandelt und decarboxyliert. Das frei werdende CO₂ dient RuBisCO. Bei obligaten CAM-Pflanzen wird OA nachts zu L-Malat reduziert und unter Energieverbrauch in Vakuolen derselben Zelle gespeichert. Tagsüber wird Malat freigesetzt und decarboxyliert. Die räumliche Trennung bei C₄-Pflanzen beziehungsweise zeitliche Trennung bei CAM-Pflanzen führt lokal zu hohen CO₂-Partialdrücken und wirkt der Photorespiration entgegen.

Die Umkehrung der stark exergonen Glykolyse-Reaktion von PEP zu Pyruvat benötigt die Pyruvat-Phosphat-Dikinase (EC 2.7.9.1). Sie aktiviert eine Phosphatgruppe durch ATP-Hydrolyse zu AMP, überträgt dabei einen Pyrophosphatrest (PPᵢ) auf das Enzym und nutzt anschließend Phosphorolyse.

Den Calvin-Zyklus besitzen Pflanzen, Algen und Cyanobakterien, außerdem manche anoxygene phototrophe Bakterien wie Chromatium vinosum und Rhodospirillum rubrum sowie chemotrophe Prokaryoten, darunter Nitrifizierer, Schwefeloxidierer, Knallgasbakterien und Eisenoxidierer. Die chemotrophen Organismen sind nicht auf Licht angewiesen. Die CO₂-Assimilation im Calvin-Zyklus trägt zu über 99 % der biologischen CO₂-Fixierung bei.