Calvin-cyclus: Uitleg, betekenis en rol bij fotosynthese (Benson‑Calvin)
Leer de lichtonafhankelijke Calvin‑cyclus: duidelijke uitleg van betekenis, stappen en rol bij fotosynthese (Benson‑Calvin). Ontdek hoe CO2 wordt omgezet in suikers.
De Calvin-cyclus (ook bekend als de Benson-Calvin-cyclus) is het geheel van chemische reacties die tijdens de fotosynthese in de chloroplasten plaatsvinden. Deze set reacties bouwt koolstofdioxide (CO2) om tot organische koolstofverbindingen die de plant kan gebruiken voor groei en opslag.
De cyclus is lichtonafhankelijk omdat hij plaatsvindt nadat de energie uit het zonlicht is opgevangen en vastgelegd in energiedragers (ATP en NADPH). De lichtreacties vinden plaats in de thylakoidmembranen; de Calvin-cyclus verloopt in het stroma van de chloroplasten en gebruikt de door de lichtreacties geleverde energie en gereduceerde cofactoren.
De Calvin-cyclus is genoemd naar Melvin C. Calvin, die in 1961 de Nobelprijs voor scheikunde kreeg voor zijn ontdekking ervan. Calvin en zijn collega's, Andrew Benson en James Bassham, deden het werk aan de Universiteit van Californië, Berkeley.
Waar vindt de cyclus plaats en wat zijn de uitgangsstoffen?
De reacties verlopen in het stroma van de chloroplast. Belangrijke uitgangsstoffen zijn CO2, ATP en NADPH (geleverd door de lichtreacties). Het belangrijkste enzym dat CO2 fixeert is RuBisCO (Ribulose-1,5-bisfosfaatcarboxylase/oxygenase).
Belangrijkste fasen van de Calvin-cyclus
- Carboxylatie (CO2-fixatie): CO2 wordt gebonden aan ribulose-1,5-bisfosfaat (RuBP, een 5-koolstofverbinding) door het enzym RuBisCO. Het directe product splitst snel in twee moleculen 3-fosfoglyceraat (3-PGA).
- Reductie: 3-PGA wordt met behulp van ATP en NADPH gereduceerd tot glyceraldehyde-3-fosfaat (G3P, ook wel triosefosfaat). Een deel van G3P verlaat de cyclus en wordt gebruikt voor suiker-, zetmeel- en andere biosynthese.
- Regeneratie van RuBP: Het merendeel van de gevormde G3P wordt gebruikt om RuBP te regenereren zodat de cyclus opnieuw CO2 kan vastleggen. Dit proces vergt extra ATP.
Stoechiometrie en energiebehoefte
De energievereisten van de cyclus zijn goed bekend: voor de vorming van één netto G3P-molecuul (3 C-atomen), waarbij drie CO2-moleculen worden vastgelegd, is ongeveer 9 ATP en 6 NADPH nodig. Om één glucosemolecuul (6 C) te maken zijn zes CO2 nodig en dus ongeveer 18 ATP en 12 NADPH.
RuBisCO en photorespiratie
RuBisCO is het meest voorkomende enzym op aarde maar heeft een nadeel: het kan zowel CO2 als O2 als substraat gebruiken. Wanneer O2 wordt gebruikt ontstaat photorespiratie, een proces dat energie kost en de efficiëntie van CO2-assimilatie vermindert. Sommige planten hebben adaptaties ontwikkeld (zie hieronder) om dit te beperken.
Regulatie van de cyclus
- De activiteit wordt beïnvloed door de beschikbaarheid van ATP/NADPH (dus door lichtintensiteit).
- Enzymen in de cyclus worden gereguleerd via redoxmechanismen (bijv. thioredoxine) en door metabolietconcentraties.
- CO2-concentratie en temperatuur beïnvloeden de balans tussen carboxylatie en oxygenatie door RuBisCO.
Variaties: C3, C4 en CAM-planten
De klassieke Calvin-cyclus komt voor in C3-planten. Sommige planten (C4 en CAM) combineren de Calvin-cyclus met aanvullende koolstoffixatiemechanismen om CO2 te concentreren bij RuBisCO en zo photorespiratie te verminderen. C4-planten scheiden ruimtelijk de eerste CO2-fixatie en de Calvin-cyclus, CAM-planten scheiden deze processen in de tijd (nacht/dag).
Biologische en ecologische betekenis
De Calvin-cyclus is de belangrijkste route voor de opname van anorganische koolstof in organische verbindingen in het biosfeer. Hierdoor vormt zij een kerncomponent van de wereldwijde koolstofkringloop en is ze essentieel voor de productie van biomassa, voedselgewassen en de opslag van energie in planten.
Samengevat: de Calvin-cyclus zet CO2, met behulp van de energie uit ATP en de elektronen van NADPH, om in suikermoleculen. Dit proces maakt plantengroei en de meeste voedselketens op aarde mogelijk.
De Calvin cyclus.
Context
Met behulp van de radioactieve koolstof-14 isotoop als een tracer brachten Calvin, Andrew Benson en hun team de volledige route in kaart die koolstof aflegt door een plant tijdens fotosynthese. Zij traceerden de koolstof-14 vanaf de opname van het koolstofdioxide uit de atmosfeer tot de omzetting in koolhydraten en andere organische verbindingen. De eencellige alg Chlorulla werd gebruikt om de koolstof-14 op te sporen.De Calvin-groep toonde aan dat zonlicht inwerkt op het chlorofyl in een plant om de aanmaak van organische verbindingen te voeden, en niet rechtstreeks op kooldioxide zoals eerder werd aangenomen.
Stappen
De stappen in de cyclus zijn als volgt:
1. Grijp: een koolstofvanger met vijf koolstofelementen, RuBP (Ribulosebisfosfaat) genaamd, vangt één molecuul koolstofdioxide op en vormt een molecuul met zes koolstofelementen.
2. Splitsing: het enzym RuBisCO (met de energie van ATP- en NADPH-moleculen) breekt het zes-koolstofmolecuul in twee gelijke delen.
3. Verlaten: Een trio koolstoffen vertrekt en wordt suiker. Het andere trio gaat door naar de volgende stap.
4. Schakelaar: Met behulp van ATP en NADPH wordt de drie koolstofmolecule veranderd in een vijf koolstofmolecule.
5. De cyclus begint opnieuw.
Het product
De koolhydraatproducten van de Calvijncyclus zijn driekoolstofhoudende suikerfosfaatmoleculen, of "glucose-triosefosfaten" (G3P). Elke stap van de cyclus heeft zijn eigen enzym dat de reactie versnelt.
Vragen en antwoorden
V: Wat is de Calvincyclus?
A: De Calvincyclus is een reeks chemische reacties die plaatsvinden in chloroplasten tijdens de fotosynthese.
V: Is de Calvincyclus licht- of lichtonafhankelijk?
A: De Calvijncyclus is lichtonafhankelijk omdat deze plaatsvindt nadat de energie van het zonlicht is opgevangen.
V: Wie is Melvin C. Calvin?
A: Melvin C. Calvin was een chemicus die de Calvincyclus ontdekte en in 1961 de Nobelprijs voor Scheikunde won voor zijn werk.
V: Waar deden Calvin en zijn collega's hun onderzoek naar de Calvincyclus?
A: Calvin en zijn collega's, Andrew Benson en James Bassham, deden hun werk aan de Calvin-cyclus aan de Universiteit van Californië, Berkeley.
V: Wanneer werd de Calvincyclus voor het eerst ontdekt?
A: De Calvincyclus werd in 1961 ontdekt door Melvin C. Calvin en zijn collega's.
V: Wat is het belang van de Calvin-cyclus in de fotosynthese?
A: De Calvincyclus speelt een cruciale rol in de fotosynthese door kooldioxide om te zetten in glucose, de belangrijkste energiebron voor planten.
V: Wat is een andere naam voor de Calvincyclus?
A: De Calvincyclus staat ook bekend als de Benson-Calvincyclus.
Zoek in de encyclopedie