結構生物化學/卡爾文迴圈
- 卡爾文迴圈也被稱為光合作用的暗反應部分，其中二氧化碳中的碳原子被還原為己糖的還原狀態，這是透過利用光反應產生的ATP和NADPH來實現的。卡爾文迴圈被稱為暗反應的另一個原因是，與光反應不同，該反應與光的存在無關。該迴圈最初是由梅爾文·卡爾文提出的。卡爾文迴圈利用陽光作為能量來源，從二氧化碳氣體和水中合成葡萄糖，為光合生物提供能量。這引入了所有用作燃料來源和生命生物分子骨架的碳原子。卡爾文迴圈和磷酸戊糖途徑之間存在許多相似之處。就像彼此的映象一樣，磷酸戊糖途徑透過將葡萄糖分解為二氧化碳來產生NADPH。類似地，卡爾文迴圈使用NADPH將二氧化碳還原為己糖。
卡爾文迴圈中間體生物化學家試圖弄清楚二氧化碳固定的機制，認為農業光合作用可以變得更加有效。在迴圈的每一次“轉動”中，一個二氧化碳分子與五碳糖縮合。形成的六碳中間體分裂成兩個3-磷酸甘油酸分子。此外，水和磷酸基團在G3P的生物合成同化過程中被迴圈利用 [不斷發展的科學]。
卡爾文迴圈的階段發生在葉綠體的基質中，葉綠體是光合作用的細胞器。
三個階段包括
1）透過二氧化碳被核酮糖1,5-二磷酸固定而形成的兩個3-磷酸甘油酸分子
- 在這個過程的開始，核酮糖1,5-二磷酸被轉化為一個高度反應性的烯二醇中間體。透過烯二醇中間體，二氧化碳分子縮合成一個不穩定的六碳化合物。該不穩定的化合物迅速水解成兩個3-磷酸甘油酸分子。該反應是高度放熱的，吉布斯自由能等於-51.9 kJ/mol。這是由rubisco催化的，rubisco也被稱為核酮糖1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶，這種酶存在於葉綠體類囊體膜的基質表面。該反應非常重要，因為它是己糖合成的限速步驟。葉綠體中rubisco的結構包含八個大亞基（L，55-kd）和八個小亞基（S，13-kd）。每個L亞基都有一個調節位點和一個催化位點。每個S鏈增強L鏈的催化活性。rubisco是已知最豐富的酶之一，甚至也是生物圈中最豐富的蛋白質。由於其緩慢性，rubisco必須存在大量的量才能使催化作用發揮作用。
- - rubisco：為了活性，它需要一個結合的二價金屬離子，通常是鎂離子。鎂離子透過穩定負電荷來啟用結合的底物分子。它需要一個除了底物之外的二氧化碳分子來完成rubisco中鎂離子結合位點的組裝。這個二氧化碳分子被新增到賴氨酸201的未帶電荷的ε-氨基，形成氨基甲酸鹽。然後，帶負電荷的加合物與鎂離子結合。雖然氨基甲酸鹽的形成會以較低的速度自發形成，但它是由rubisco啟用酶實現的。鎂離子在結合核酮糖1,5-二磷酸和啟用它與二氧化碳反應中起著重要作用。鎂離子與核酮糖1,5-二磷酸透過其酮基和相鄰的羥基結合在一起。該複合物透過去質子化形成一個烯二醇中間體。這種反應性物質與二氧化碳偶聯，形成新的碳-碳鍵。包括新形成的羧酸鹽，產物透過三個基團與鎂離子配位。當H2O被新增到β-酮酸時會形成一箇中間體，該中間體裂解形成兩個3-磷酸甘油酸分子。
- - rubisco還透過催化浪費的加氧酶反應而導致催化不完善。鎂離子有時不與二氧化碳反應，而是與O2反應，從而催化有害的加氧酶反應。該反應的最終產物是3-磷酸甘油酸和磷酸乙醇酸。就像羧化酶反應一樣，加氧酶反應需要賴氨酸201處於氨基甲酸鹽形式。然而，當二氧化碳不存在時，rubisco被禁止催化加氧酶反應，因為氨基甲酸鹽只在二氧化碳存在時形成。
2）透過3-磷酸甘油酸的還原而形成的己糖
rubisco的最終產物3-磷酸甘油酸被轉化為果糖6-磷酸，果糖6-磷酸異構化為葡萄糖1-磷酸和葡萄糖6-磷酸。三種磷酸化己糖的混合物被稱為己糖單磷酸池。這種轉化的反應與糖異生途徑非常相似，只是3-磷酸甘油醛脫氫酶對NADPH而不是NADH具有特異性，這會生成3-磷酸甘油醛（GAP）。二氧化碳透過rubisco催化的產物被提升到己糖的水平。然後，二氧化碳在由光反應產生的NADPH和ATP的消耗下轉化為化學燃料。
3）透過再生核酮糖1,5-二磷酸來固定更多二氧化碳
卡爾文迴圈的最後階段是再生核酮糖1,5-二磷酸，這是第一階段中二氧化碳的受體。必須從六碳糖和三碳糖構建一個五碳糖。在重新排列碳原子的過程中，轉酮酶和醛縮酶起著主要作用。轉酮酶透過利用輔酶硫胺素焦磷酸（TPP）將一個二碳單元從酮糖轉移到醛糖。另一方面，醛縮酶催化醛和二羥丙酮磷酸（DHAP）之間的醛醇縮合。雖然這種酶對多種醛具有親和力，但它對二羥丙酮磷酸具有很高的特異性。總之，在形成五碳糖時，轉酮酶將三碳糖和六碳糖轉化為五碳糖和四碳糖。下一個過程是醛縮酶將四碳糖和三碳糖結合形成七碳糖。最後一步是七碳糖與另一個三碳糖反應，以形成兩個額外的五碳糖。當形成五碳糖的過程完成後，核糖5-磷酸透過磷酸戊糖異構酶轉化為核酮糖5-磷酸。同時，木酮糖5-磷酸透過磷酸戊糖差向異構酶轉化為核酮糖5-磷酸，而核酮糖5-磷酸透過磷酸核酮糖激酶轉化為核酮糖1,5-二磷酸。以下反應顯示了總和
果糖6-磷酸 + 2 3-磷酸甘油醛 + 二羥丙酮磷酸 + 3 ATP → 3 核酮糖1,5-二磷酸 + 3 ADP
卡爾文迴圈需要六輪才能完成，因為在每一輪中，一個碳原子被還原。為了將12個3-磷酸甘油酸分子磷酸化為1,3-二磷酸甘油酸，消耗了12個ATP分子。為了將12個1,3-二磷酸甘油酸分子還原為3-磷酸甘油醛，消耗了12個NADPH分子。這是卡爾文迴圈的淨反應
6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H2O → C6H12O6 + 18 ADP + 18 Pi + 12NADP+ + 6H+
下面顯示了卡爾文迴圈淨反應的示意圖
己糖的作用
在植物中，有兩種主要的糖儲存形式，包括澱粉和蔗糖。澱粉與其動物對應物糖原非常相似，但分支更少，因為它的α-1,6-糖苷鍵比例更小。此外，活化的前體是ADP-葡萄糖，而不是UDP-葡萄糖。澱粉通常被稱為葡萄糖殘基的聚合物，它在葉綠體中合成和儲存。與之不同的是，蔗糖是一種二糖，它在細胞質中合成和儲存。植物能夠將三碳磷酸從葉綠體運輸到細胞質，但它們缺乏將己糖磷酸跨葉綠體膜運輸的潛力。作為透過磷酸轉運蛋白交換一個磷酸，三碳磷酸中間體穿過細胞質。從三碳磷酸中形成果糖6-磷酸，它與UDP-葡萄糖的葡萄糖單元結合。這形成蔗糖6-磷酸。磷酸水解併產生蔗糖，蔗糖儲存在許多植物細胞中。
當類囊體膜的光反應改變基質環境時，就會發生調控。光反應會使 pH 值升高，並增加鎂離子、NADPH 和還原型鐵氧還蛋白的濃度。這些變化有助於將卡爾文迴圈與光反應耦合。具體來說，當這些分子的濃度增加和 pH 值升高時，RuBisCo 會被啟用。RuBisCo 的活性增加是因為光線促進了氨基甲酸酯的形成，而氨基甲酸酯是酶活性所必需的。在基質中，當鎂離子濃度增加時，pH 值也會從 7 升高到 8。為了創造質子流入基質，鎂離子從類囊體腔釋放出來。二氧化碳被新增到 RuBisCo 的賴氨酸 201 脫質子形式中，同時鎂離子與氨基甲酸酯結合，以生成酶的活性形式。因此，光線產生調節訊號、ATP 和 NADPH。
硫氧還蛋白
硫氧還蛋白是調控卡爾文迴圈的重要分子之一。當硫氧還蛋白被氧化時，它含有二硫鍵。當硫氧還蛋白被還原型鐵氧還蛋白還原時，這種二硫鍵會被轉化為兩個遊離的巰基。還原型的硫氧還蛋白可以裂解酶中的二硫鍵，從而啟用一些卡爾文迴圈酶，並抑制一些降解酶。受硫氧還蛋白調控的酶的例子包括：RuBisCo、果糖 1,6-二磷酸酶、甘油醛 3-磷酸脫氫酶、景天庚酮糖 1,7-二磷酸酶、葡萄糖 6-磷酸脫氫酶、苯丙氨酸解氨酶、磷酸核糖激酶和 NADP+-蘋果酸脫氫酶。
C4 途徑
在熱帶氣候生長時，植物能夠透過在卡爾文迴圈部位保持高濃度的二氧化碳來防止過高的光呼吸浪費。這種過程背後的機制是，C4（四碳）化合物將二氧化碳從葉肉細胞中帶走。二氧化碳在葉肉細胞中透過 ATP 在維管束鞘細胞中被濃縮。C4 化合物在維管束鞘細胞中的脫羧作用能夠在卡爾文迴圈中維持高濃度的二氧化碳。剩餘的三個碳返回葉肉細胞進行另一輪羧化。C4 途徑中二氧化碳的運輸始於葉肉細胞內部，此時二氧化碳和磷酸烯醇丙酮酸縮合形成草醯乙酸。該反應由磷酸烯醇丙酮酸羧化酶催化。有時，草醯乙酸可以透過 NADP+ 依賴的蘋果酸脫氫酶轉化為蘋果酸。這種蘋果酸進入維管束鞘細胞，並在葉綠體中脫羧。釋放的二氧化碳透過縮合核酮糖 1,5-二磷酸進入卡爾文迴圈。在最後一個過程中，丙酮酸透過丙酮酸-Pi 二激酶形成磷酸烯醇丙酮酸。這是 C4 途徑的淨反應。
CO2（葉肉細胞） + ATP + 2H2O -> CO2（維管束鞘細胞） + AMP + 2 Pi + 2 H+
參考文獻
Berg, Jeremy M., John L. Tymoczko, and Lubert Stryer. Biochemistry. 7th ed. New York: W.H. Freeman, 2012. Print.