Regolazione del ciclo di Calvin

L'alta efficienza energetica del ciclo di Calvin indica la presenza di una qualche forma di regolazione in grado di assicurare che i composti intermedi del ciclo siano presenti in concentrazioni adeguate e che spenga il ciclo per ottimizzare l'utilizzo dell'energia quando non è necessario, come al buio. In generale, la quantità e l'attività specifica degli enzimi controllano le velocità catalitiche così che la concentrazione dei metaboliti del ciclo sia calibrata in risposta alle necessità metaboliche. Cambiamenti dell'espressione genica e della biosintesi proteica determinano la quantità di enzimi nei compartimenti cellulari. In particolare, la quantità di ogni enzima presente nello stroma del cloroplasto è regolata da meccanismi che controllano l'espressione concertata di genomi nucleari e del cloroplasto. La maggior parte della regolazione fra nucleo e plastidi è anterograda (il segnale procede in avanti dal nucleo al plastidio), cioè i prodotti genici nucleari controllano la trascrizione e la traduzione dei geni plastidiali. Per esempio, la rubisco è formata da otto piccole subunità codificate dal nucleo e otto grandi subunità codificate dal plastidio. Comunque, a differenza dei cambiamenti lenti delle velocità catalitiche stimolati dalla sintesi di enzimi, l'effetto della modificazione postraduzionale cambia nell'attività specifica in minuti. Due meccanismi generali modificano le proprietà cinetiche degli enzimi:
1.Cambiamenti nei legami covalenti che portano ad un enzima modificato chimicamente, come avviene con la riduzione di disolfuri o la carbammilazione di amminogruppi;
2.Modificazioni di interazioni non covalenti dovute per esempio al legame di metaboliti o a cambiamenti nella composizione ionica del mezzo cellulare (ad esempio il pH).
La modulazione buio-luce rappresenta un interruttore acceso/spento per cinque enzimi chiave del ciclo di Calvin: 1) rubisco, 2) fruttosio-1,6-difosfato fosfatasi, 3) sedeptulosio-1,7-difosfato fosfatasi, 4) ribulosio-5-fosfato chinasi e 5) NADP-gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi. Alcuni ricercatori hanno dimostrato che la rubisco è attivata quando l'attivatore CO2 (una molecola diversa dalla CO2 substrato che viene fissata sul ribulosio-1,5-difosfato) reagisce con un gruppo ε-NH2 di una lisina specifica presente sul sito attivo dell'enzima (“modulazione della rubisco”). Il derivato carbammato (un nuovo sito anionico) si lega quindi al Mg2+ per formare un complesso attivo. Due protoni vengono rilasciati durante la formazione del complesso ternario rubisco-CO2-Mg2+, così l'attivazione è promossa dall'aumento sia del pH sia della concentrazione di Mg2+. Così, in cloroplasti illuminati, i cambiamenti scatenati dalla luce nella concentrazione di Mg2+ e di pH contribuiscono all'attivazione della rubisco. Nello stato attivo la rubisco si lega alla CO2 substrato che reagisce quindi con il ribulosio-1,5-difosfato per generare infine due molecole di 3-fosfoglicerato. Tuttavia, lo stretto legame di molecole simili a zuccheri fosfati, come la ribulosio-1,5-difosfato, alla rubisco impedisce la carbammilazione. Comunque, l'interazione della rubisco con una proteina associata, la rubisco attivasi, in una reazione che richiede ATP, porta ad un cambiamento strutturare che rilascia lo zucchero fosfato e prepara l'enzima per l'attivazione tramite carbammilazione e il legame di un metallo. La rubisco è anche regolata dallo zucchero fosfato naturale 2-carbossiarabinitolo-1-fosfato. Presente a basse concentrazioni nelle foglie di numerose specie, questo inibitore si trova ad alte concentrazioni nelle foglie tenute al buio ma è rimosso al mattino tramite l'azione della rubisco attivasi.  La luce, oltre alla rubisco, regola l'attività di quattro altri enzimi del ciclo di Calvin attraverso il sistema ferredossina-tioredossina (ferredossina, ferredossina-tioredossina reduttasi, tioredossina). Il meccanismo di ossidazione-riduzione utilizza il prodotto del sistema di trasporto di elettroni delle fotosintesi (ferredossina ridotta) per la modulazione dell'attività enzimatica dei quattro enzimi precedentemente accennati, ad eccezione della rubisco. In dettaglio il sistema ferredossina-tioredossina lega il segnale luminoso percepito dalle membrane tilacoidali all'attività degli enzimi dello stroma. Il processo di attivazione inizia alla luce con la riduzione della ferredossina tramite il sistema di trasporto degli elettroni della fotosintesi. La ferredossina ridotta e due protoni sono utilizzati per ridurre un gruppo disolfuro cataliticamente attivo (-S-S-) del ferro-zolfo enzima ferredossina-tioredossina reduttasi, che a sua volta riduce il legame disolfuro altamente specifico (-S-S-) della piccola proteina regolatrice tioredossina. La forma ridotta (-SH HS-) della tioredossina riduce quindi il legame disolfuro critico di enzimi bersaglio, scatenando la conversione nello stato cataliticamente attivo. A questo stadio l'enzima bersaglio catalizza la trasformazione di substrati in prodotti.
Contemporaneamente alle modificazione postraduzionali degli enzimi del cloroplasto, la luce causa cambiamenti reversibili negli ioni presenti nello stroma che, a loro volta, influiscono sulle attività catalitiche. A seguito di illuminazione, il flusso di protoni dallo stroma al lume dei tilacoidi è accoppiato al rilascio di Mg2+ dallo spazio intratilacoidale verso lo stroma. Questi flussi ionici diminuiscono la concentrazione stromatica di H+ (il pH aumenta da circa 7 a 8) e aumentano quella del Mg2+. Questi cambiamenti della composizione ionica del cloroplasto sono rovesciati al buio.