Ciclo di Calvin

Gli organismi autotrofi fanno la capacità di utilizzare l'energia derivante da fonti fisiche e chimiche per trasformare il carbonio della CO2 atmosferica in composti organici compatibili con le necessità cellulari. La via più importante per la fissazione autotrofa della CO2 è il ciclo di Calvin (definito anche ciclo riduttivo dei pentosi fosfati), presenti in molti procarioti e in tutti gli eucarioti fotosintetici, dall'alga più primitiva all'angiosperma più avanzata. Nel ciclo di Calvin la CO2 e l'acqua ottenuti dall'ambiente sono unite enzimaticamente a una molecola accettore a cinque atomi di carbonio (ribulosio-1,5-difosfato) per generare due molecole di un intermedio a tre atomi di carbonio. Questo intermedio (3-fosfoglicerato) è ridotto in carboidrati utilizzando l'ATP e il NADPH generati fotochimicamente. Il ciclo si completa attraverso la rigenerazione del ribulosio-1,5-difosfato. Il ciclo di Calvin si compie in tre fasi:
1)La carbossilazione dell'accettore della CO2, il ribulosio-1,5-difosfato, per formare due molecole di 3-fosfoglicerato, il primo intermedio stabile del ciclo di Calvin;
2)La riduzione del 3-fosfoglicerato a formare il carboidrato gliceraldeide-3-fosfato;
3)La rigenerazione dell'accettore della CO2, il ribulosio-1,5-difosfato, a partire dalla gliceraldeide-3-fosfato.
Il biossido di carbonio contiene una delle forme più ossidate del carbonio presenti in natura (+4). Il carbonio del primo composto intermedio stabile, il 3-fosfoglicerato, è più ridotto (+3) ed è ulteriormente ridotto nella molecola di gliceraldeide-3-fosfato (+1). In generale, sono le prime reazioni del ciclo di Calvin che portano a termine la riduzione del carbonio atmosferico e, così facendo, facilitano la sua incorporazione in composti organici che possono essere utilizzati dalla cellula. In dettaglio, nella prima fase del ciclo di Calvin, la carbossilazione, tre molecole di CO2 reagiscono con tre molecole di ribulosio-1,5-difosfato per formare sei molecole di 3-fosfoglicerato, una reazione catalizzata dall'enzima del cloroplasto ribulosio difosfato carbossilasi/ossigenasi, definito rubisco. In particolare per ogni CO2 aggiunta all'atomo di carbonio in 2 del ribulosio-1,5-difosfato si produce un composto intermedio legato all'enzima che viene poi idrolizzato formando due molecole del prodotto stabile 3-fosfoglicerato.

Segue nel ciclo di Calvin la fase di riduzione. In questa, due reazioni riducono ulteriormente il 3-fosfoglicerato formato nella fase di carbossilazione: 1) l'ATP generata nella reazione alla luce fosforila il 3-fosfoglicerato del gruppo carbossilico, dando origine a una anidride mista, il 1,3-difosfoglicerato, in una reazione catalizzata dalla 3-fosfoglicerato chinasi; 2) il 1,3-difosfoglicerato è quindi ridotto a gliceraldeide-3-fosfato con l'energia del NADPH, anch'esso generato dalle reazioni luminose. Questo passaggio è catalizzato dall'enzima NADP-gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi. A questo punto, affinché gli intermedi del ciclo di Calvin non vengano esauriti la continua fissazione della CO2 ha bisogno che l'accettore della CO2, il ribulosio-1,5-difosfato, venga costantemente rigenerato. In questa fase di rigenerazione tre molecole di ribulosio-1,5-difosfato sono generate da reazioni che recuperano gli atomi di carbonio di 5 molecole di gliceraldeide-3-fosfato: 1) due molecole di gliceraldeide-3-fosfato sono convertite dalla trioso fosfato isomerasi in diidrossiacetone-3-fosfato, in una reazione di isomerizzazione; 2) una molecola di diidrossiacetone-3-fosfato va incontro a condensazione aldolica con una terza molecola di gliceraldeide-3-fosfato, una reazione catalizzata dall'aldolasi per formare fruttosio-1,6-difosfato; 3) il fruttosio-1,6-difosfato viene idrolizzato a fruttosio-6-fosfato; 4) una unità a due atomi di carbonio (il C-1 e il C-2 del fruttosio-6-fosfato) viene trasferita dall'enzima transchetolasi a una quarta molecola di gliceraldeide-3-fosfato per formare xilulosio-5-fosfato. I rimanenti atomi di carbonio (dal C-3 al C-6 del fruttosio-6-fosfato) formano l'eritrosio-4-fosfato; 5) l'eritrosio-4-fosfato si combina a questo punto, tramite l'aldolasi, con una rimanente molecola di diidrossiacetone-3-fosfato per formare lo zucchero a sette atomi di carbonio septulosio-1,7-difosfato; 6) il septulosio-1,7-difosfato viene di seguito idrolizzato da una specifica fosfatasi per formare sedoeptulosio-7-fosfato; 7) il sedoeptulosio-7-fosfato dona un unità a due atomi di carbonio alla quinta (e ultima) molecola di gliceraldeide-3-fosfato e produce, tramite la tranchetolasi, xilulosio-5-fosfato, mentre i rimanenti atomi di carbonio del sedoeptulosio-7-fosfato (dal C-3 al C-7) diventano ribosio-5-fosfato; 8) le due molecole di xilulosio-5-fosfato vengono convertite in ribulosio-5-fosfato tramite l'azione della ribulosio-5-fosfato epimerasi, mentre la terza molecola di ribulosio-5-fosfato si forma dal ribosio-5-fosfato per azione della ribosio-5-fosfato isomerasi; 9) infine, la ribulosio-5-fosfato chinasi catalizza la fosforilazione di tre molecole di ribuolosio-5-fosfato utilizzando ATP, rigenerando così le tre molecole utilizzate dall'accettore della CO2, il ribulosio-1,5-difosfato.

Dunque, le fasi di carbossilazione e di riduzione del ciclo di Calvin possono essere riassunte:
3 CO2 + 3 ribulosio-1,5-difosfato + 3 H2O + 6 NADPH + 6 H+ + 6 ATP →
 → 6 Triosi fosfati + 6 NADP+ + 6 ADP + 6 Pi
Quando le foglie sono tenute al buio per lunghi periodi (per esempio di notte) la concentrazione stromatica della maggior parte degli intermedi biochimici del ciclo di Calvin risulta bassa. Quando poi le foglie vengono riportate alla luce esse devono rigenerare questi intermedi per far sì che il ciclo di Calvin sia operativo. In questo stadio, i triosi fosfati dello stroma e la maggior parte della CO2 assimilata sono impiegati nella produzione degli intermedi del ciclo e quando questa produzione inizia accelera l'assimilazione della CO2 per opera del ciclo di Calvin. Comunque, è necessario un input costante di energia, fornita dall'ATP e dal NADPH, per garantire il funzionamento del ciclo per la fissazione della CO2. Durante il ciclo di Calvin si consumano 2 molecole di NADPH e 3 molecole di ATP per ogni molecola di CO2 fissata. L'efficienza termodinamica del ciclo di Calvin si avvicina al 90%.