O que é o ciclo de Calvin na fotossíntese e como exatamente moléculas orgânicas ricas em energia, como o açúcar, podem ser produzidas a partir do dióxido de carbono no ar? Você vai descobrir neste post.
Ciclo de Calvin explicado simplesmente
O ciclo de Calvin, reação escura ou ciclo de bifosfato de ribulose, juntamente com a reação de luz , é um subprocesso da fotossíntese .
O ciclo de Calvin pode ser entendido como uma série de reações que ocorrem em círculo e são catalisadas por várias enzimas. Ficou conhecido após seu descobridor, o bioquímico americano Melvin Calvin, e ocorre em plantas no estroma (= o interior) dos cloroplastos e em bactérias no citoplasma .
Os átomos de carbono do dióxido de carbono ( ) no ar são construídos em moléculas orgânicas (=fixas) para produzir moléculas de açúcar a partir deles. Estes servem as plantas para cobrir suas necessidades energéticas e nós humanos como base para a alimentação. O ciclo de Calvin requer energia para isso , que é fornecida pela reação de luz anterior na forma do transportador de energia universal ATP e da molécula transportadora de elétrons NADPH .
Você pode subdividir o ciclo de Calvin em 3 fases: A fase de fixação de CO 2 , a fase de redução e a fase de regeneração .
A equação bruta da reação no escuro é:
6 
+ 12 NADPH + 12 H + + 18 ATP 
+ 12 NADP + + 18 ADP + 18 Pi + 6
Definição
O ciclo de Calvin (ciclo de Calvin-Benson), reação escura ou ciclo de ribulose bifosfato é um subprocesso de fotossíntese catalisado por enzimas circulares que contribui para a formação de açúcares a partir de dióxido de carbono no ar. Ocorre nas plantas no estroma dos cloroplastos e nas bactérias no citoplasma e é dividida em três fases ( fixação de dióxido de carbono, fase de redução e fase de regeneração) .
Esquema do ciclo de Calvin
O esquema do ciclo de Calvin é o seguinte: o dióxido de carbono do ar se difunde nas plantas através dos poros – os chamados estômatos – nas folhas e daí para os cloroplastos. É aqui que ocorre a reação independente da luz ou ciclo de Calvin.
Várias enzimas agora garantem que os átomos de carbono do dióxido de carbono sejam construídos em uma sequência de reação que ocorre em um ciclo (= fixação de dióxido de carbono ) e que compostos estáveis e de alta energia, como moléculas de açúcar, possam ser produzidos a partir deles. Os açúcares ficam então disponíveis para as plantas como fonte de energia e para nós humanos como base para alimentação. Ao contrário das plantas, que podem se alimentar (= autotróficas ), nós humanos somos criaturas heterotróficas (= alimentação externa) e naturalmente nos beneficiamos da produção de açúcar das plantas.
Como o nome reação escura ou reação independente da luz indica, nenhuma luz é necessária para esta sequência de reação. No entanto, isso é um pouco enganoso, porque nenhuma reação escura pode ocorrer sem a reação anterior à luz. Lá, a energia luminosa deve primeiro ser convertida em energia química – ATP e NADPH – por meio de um desvio. Essas fontes de energia permitem então a reação do dióxido de carbono à glicose. Formalmente, esta é uma reação química redox – mais precisamente, uma redução (= aceitação de elétrons). No entanto, isso só pode ocorrer se houver energia suficiente disponível.
Também é importante lembrar que a reação escura é fortemente dependente da temperatura em comparação com a reação clara . Isso ocorre porque muitas enzimas (=proteínas) estão envolvidas no ciclo de Calvin que não podem suportar altas temperaturas (desnaturação).
Ciclo de Calvin passos simples
Você pode dividir o ciclo de Calvin em três fases: A fase de fixação de CO 2 , a fase de redução e a fase de regeneração . Veremos isso em detalhes a seguir.
CO 2 – fase de fixação
Na fase de fixação, uma molécula de dióxido de carbono combina-se com uma molécula aceptora específica – o açúcar de 5 carbonos ribulose-1,5-bifosfato (RubP). Essa reação é catalisada por uma enzima chamada RuBisCO , que significa ribulose-1,5-bifosfato carboxilase oxigenase. Então você já pode derivar este passo do nome da enzima.
Isso cria um corpo C 6 que é instável e imediatamente se decompõe em dois corpos C 3 . Você se refere a ele como ácido 3-fosfoglicérico ( 3-PGA ) ou 3-fosfoglicerato. Duas moléculas de 3-PGS são formadas a partir de uma molécula de dióxido de carbono.
Fase de redução
Na próxima etapa – a fase de redução – ocorre uma reação de redução química. Abaixo você pode imaginar um captador de elétrons. O ácido 3-fosfoglicérico reage para formar um composto de 3 carbonos chamado gliceraldeído-3-fosfato (GAP) .
Uma vez que este é um processo de uso intensivo de energia (= reação de endergona), ele só pode ocorrer se a energia for fornecida de fora. É aqui que a reação à luz entra em jogo. Fornece os substratos ATP (trifosfato de adenosina) obtido a partir da energia luminosa e a molécula transportadora de elétrons NADPH. Talvez você já conheça a molécula NADH da respiração celular ? A molécula NADPH é semelhante em estrutura e função, mas contém um grupo fosfato adicional (P).
Agora vamos ver a redução em detalhes: Ela ocorre em duas subetapas. Primeiro, o ácido 3-fosfoglicérico é ativado por uma enzima que transfere um grupo fosfato para o grupo ácido. O grupo fosfato vem do transportador de energia ATP, que é dividido em ADP (difosfato de adenosina ) e fosfato. Como o ácido fosfoglicérico agora tem 2 grupos fosfato, agora você pode se referir a ele como ácido 1,3-bisfosfoglicérico .
A reação de redução real ocorre então. O ácido 1,3-bisfosfoglicérico agora aceita 2 elétrons (e – ) e um próton de hidrogênio (H + ) do NADPH – portanto, é reduzido. O grupo fosfato anteriormente transferido é separado novamente e um grupo aldeído (-COH) é agora formado a partir do grupo ácido carboxílico (-COOH ). Obtemos um composto chamado gliceraldeído-3-fosfato (GAP). Ao mesmo tempo, NADPH é oxidado a NADP + .
NADPH NADP+ + 2 e– + H+
Tanto o NADPH quanto o ATP, como você já aprendeu, estão disponíveis para o ciclo de Calvin através da reação de luz anterior. É por isso que a reação escura não pode ocorrer por muito tempo, mesmo sem luz. Ao mesmo tempo, ADP e NADP + suficientes estão agora disponíveis novamente para a reação clara após a reação escura ter ocorrido. Então você pode ver que essas duas reações são dependentes uma da outra.
Fase de regeneração
A última etapa da reação – a fase de regeneração – serve para restaurar a molécula aceptora ( rribose-1,5-bifosfato ), ou seja, para regenerá-la. Cerca de 5/6 das moléculas C3 formadas de gliceraldeído-3-fosfato ( G3P) são usadas para isso. Novamente, a energia na forma de moléculas de ATP é necessária aqui. Agora, o ciclo pode ser executado novamente, pois a molécula aceitadora está disponível novamente.
No entanto, 1/6 dos corpos C3 formados G3P deixam o ciclo e podem reagir em conjunto com outra molécula G3P para formar um corpo constituído por 6 átomos de carbono. Após algumas reações de conversão, os açúcares glicose (dextrose) ou frutose (açúcar da fruta) são formados. Eles podem então ser introduzidos no metabolismo e aí decompostos (= metabolismo catabólico ). Como resultado, a planta ganha a energia de que necessita, por exemplo, para o crescimento das plantas.
Sob condições favoráveis, ou seja, quando as plantas produzem mais moléculas de açúcar simples do que precisam para suas próprias necessidades energéticas, as moléculas de açúcar podem estar disponíveis como blocos de construção para várias macromoléculas, como carboidratos, gorduras ou proteínas (= metabolismo anabólico ). Os carboidratos podem ser armazenados no estroma dos cloroplastos em grânulos de amido e mobilizados quando necessário.
Equilíbrio do Ciclo de Calvin
Vejamos o equilíbrio do ciclo de Calvin: Uma molécula de glicose ( ) consiste em 6 átomos de carbono, o que significa que são necessárias 6 moléculas de dióxido de carbono . Isso requer 6 revoluções do ciclo de Calvin e um gasto energético de 18 moléculas de ATP e 12 moléculas de NADPH .
Você pode, portanto, formular a equação grosseira da reação escura da seguinte forma:Equação bruta da reação no escuro
6 + 12 NADPH + 12 H + + 18 ATP + 12 NADP + + 18 ADP + 18 Pi + 6
lugar do ciclo de Calvin
Tanto a reação clara quanto a reação escura ocorrem nos cloroplastos das células vegetais. Você pode imaginar isso como organelas celulares, que, como as mitocôndrias , consistem em uma membrana dupla. No interior, os cloroplastos também apresentam invaginações de membrana (= membranas tilacóides) nas quais ocorre a reação da luz.
A reação escura, por outro lado, ocorre no estroma (= dentro) dos cloroplastos. Essa substância fundamental líquida se assemelha ao citosol de toda a célula. Dentro dele encontram-se tilacóides individuais, os estromatilacóides, ribossomos, DNA e grânulos de amido . Estes podem armazenar o açúcar produzido após a fotossíntese, alguns dos quais são armazenados como amido.
Fotorrespiração
Você já conhece a enzima RuBisCO . No entanto, ele também possui outra propriedade que você também pode derivar de seu nome. Além da fixação de dióxido de carbono (= carboxilação), também pode fixar oxigênio (= oxigenação) . Como resultado, um átomo de carbono é “perdido” para o ciclo de Calvin. (Em vez de duas moléculas C3 , forma-se ácido 3 -fosfoglicérico (PGS), uma molécula de 3-PGS e uma molécula C2 ( 2 -fosfoglicolato)).
Este último deve ser convertido em 3-PGS em uma via intensiva em energia em várias organelas celulares (mitocôndrias e peroxissomos ). Porque apenas esta molécula pode metabolizar ainda mais o ciclo de Calvin. Você também pode chamar o caminho para a reciclagem do esqueleto de carbono fotorrespiração ou respiração leve. Como “desperdiça” muita energia, as plantas tentam evitá-lo sempre que possível.
A fotorrespiração é particularmente comum em dias quentes e secos, pois as plantas fecham seus estômatos para evitar que a água evapore. No entanto, isso também significa que pouco dióxido de carbono pode entrar nas plantas do ar e o teor de oxigênio aumenta em comparação com o teor de dióxido de carbono. Isso, por sua vez, significa que a enzima RubisCO liga o oxigênio à molécula aceptora com mais frequência.
tipos de fotossíntese
Dependendo de como as plantas lidam com a fotorrespiração, você pode distinguir diferentes tipos de fotossíntese: plantas C 3 , plantas C 4 e plantas CAM .
plantas C3 _
Sob as plantas C 3 – você pode entender as “plantas normais” completamente sem ajustes especiais em termos de evitar a fotorrespiração. Isso significa que o Ciclo de Calvin, como você acabou de aprender, está acontecendo.
O nome C 3 vem do fato de que o primeiro produto após a fixação do carbono, ou seja, a adição de dióxido de carbono à molécula aceptora (1,5-ribulose bifosfato) no ciclo de Calvin, é um corpo C 3 (3-PGS).
A maioria das plantas na terra usa esse tipo de fotossíntese, incluindo todas as árvores e também plantas de soja ou arroz.
plantas C4 _
As plantas C 4 desenvolveram agora uma estratégia para escapar do caminho de desperdício da fotorrespiração. O objetivo dessa estratégia é que a enzima RuBisCO esteja sempre exposta a uma alta concentração de dióxido de carbono para que não tenha a oportunidade de se ligar ao oxigênio.
A adaptação especial das plantas C 4 – é uma separação espacial entre a fixação do dióxido de carbono e o próprio ciclo de Calvin. Aqui, ocorre uma pré- fixação de dióxido de carbono , na qual se forma um ácido orgânico simples com 4 átomos de carbono (oxaloacetato). Daí o nome C 4 – plantas.
Essa etapa ocorre nas chamadas células do mesofilo (tecido no meio da folha). O ácido resultante pode então ser transportado para células especiais (células da bainha do feixe), que são organizadas como uma espécie de anel. Lá ocorre a separação do dióxido de carbono do ácido e o ciclo de Calvin pode então prosseguir como de costume.
Essa reação ocorre principalmente em áreas quentes e é praticada por plantas como milho ou cana-de-açúcar.
Plantas CAM
As plantas CAM (=metabolismo ácido de Crassulaceae) também possuem uma estratégia especial para minimizar a fotorrespiração. Aqui há uma separação temporal entre a fixação do dióxido de carbono e o curso do ciclo de Calvin.
Funciona assim: à noite , as plantas abrem seus estômatos para que possam se difundir nas folhas. Lá, o dióxido de carbono pode ser incorporado a um ácido orgânico (semelhante às plantas C4). O ácido de 4 carbonos resultante (geralmente ácido málico) pode então ser transportado para os vacúolos das células e armazenado lá.
Durante o dia , as plantas fecham novamente seus estômatos para reduzir a perda de água. O ácido pode agora ser transportado para fora dos vacúolos e o dióxido de carbono pode ser separado. Isso permite que o ciclo de Calvin volte a funcionar normalmente. Aqui, também, o objetivo dessa estratégia é que a enzima RuBisCO esteja sempre exposta a uma alta concentração de dióxido de carbono para que não tenha a oportunidade de se ligar ao oxigênio.
Você também pode encontrar plantas CAM, como abacaxis, principalmente em áreas quentes e secas .