چرخه کالوین ، مراحل و محصولات | به زبان ساده

چرخه کالوین ، مجموعه‌ای از واکنش‌های شیمیایی است که توسط گیا‌هان انجام می‌شود تا کربن را از دی اکسید کربن به شکل قند‌های سه کربنی تثبیت کند. سپس گیا‌هان و حیوانات می‌توانند این ترکیبات سه کربنی را به اسید‌های آمینه، نوکلئوتید‌ها و قند‌های پیچیده‌تری مانند نشاسته تبدیل کنند.

این فرآیند از تثبیت کربن نشان می‌دهد که چگونه مواد آلی در گیاهان ساخته می‌شوند. قند‌های ایجاد شده در چرخه کالوین توسط گیا‌هان برای ذخیره انرژی درازمدت نیز استفاده می‌شوند، برخلاف ATP که پس از ایجاد، به سرعت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این قند‌های گیاهی همچنین می‌توانند منبع انرژی برای حیواناتی باشند که از گیاهان تغذیه می‌کنند و جانورانی که گیاهخوران را شکار می‌کنند نیز می‌توانند از این قندهای گیاهی استفاده کنند.

گاهی واکنش‌های چرخه کالوین به عنوان واکنش‌های مستقل از نور فتوسنتز شناخته می‌شوند، زیرا این واکنش‌ها مستقیماً توسط فوتون‌‌های نور خورشید انرژی دریافت نمی‌کنند. انرژی مورد نیاز واکنش‌های چرخه کالوین توسط ATP و NADPH تامین می‌شود که با استفاده از انرژی فوتون‌ها در واکنش‌های وابسته به نور ایجاد می‌شوند.

چرخه کالوین چیست؟

انسان، مانند تمام موجودات روی زمین، یک شکل از جانداران زنده مبتنی بر کربن است. به عبارت دیگر، مولکول‌های پیچیده بدن شگفت انگیز انسان بر روی ستون فقرات کربن ساخته شده‌اند. شاید از قبل می‌دانستید که ساختمان بدن انسان از کربن ساخته شده است، اما آیا تا به حال فکر کرده‌اید که کل این کربن از کجا می‌آید؟

همان طور که در بالا اشاره شد، اتم‌های کربن در بدن انسان، از مولکول‌های دی اکسید کربن موجود در هوا تشکیل شده‌اند. اتم‌‌های کربن با انجام مرحله دوم فتوسنتز، معروف به چرخه کالوین (یا واکنش‌‌های مستقل از نور) در بدن انسان و سایر جانداران به وجود می‌آيند.

فیلم آموزش زیست شناسی – پایه دوازدهم رشته تجربی – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

در گیا‌هان، دی اکسید کربن از طریق منافذی به نام «استوماتا» (Stomata) وارد قسمت داخلی برگ می‌شود و در «استروما» (Stroma) کلروپلاست قرار می‌گیرد، استروما ماده‌ای است که فضای داخلی کلروپلاست‌ها را پر می‌کند و در واقع، محل انجام واکنش چرخه کالوین است که در آن مولکول‌های قند ساخت می‌شوند. واکنش‌های چرخه کالوین، واکنش‌‌های مستقل از نور نیز نامیده می‌شوند، زیرا مستقیماً توسط نور هدایت نمی‌شوند.

در چرخه کالوین، اتم‌های کربن موجود در آن تثبیت می‌شوند (در مولکول‌های آلی ساخته شده در طول واکنش‌ها تثبیت می‌شوند) و برای ساختن قند‌های سه کربنی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این فرآیند توسط واکنش‌های نوری به ATP و NADPH به عنوان سوخت وابسته است. برخلاف واکنش‌های نوری که در غشای تیلاکوئید اتفاق می‌افتد، واکنش‌های چرخه کالوین در استروما (فضای داخلی کلروپلاست‌ها) انجام می‌گیرد.

عملکرد چرخه کالوین

عملکرد چرخه کالوین ایجاد قند‌های سه کربنی است که از این طریق می‌توان از این واکنش‌ها برای ساخت قند‌های دیگر مانند گلوکز، نشاسته و سلولز استفاده کرد که توسط گیا‌هان به عنوان مصالح ساختاری استفاده می‌شوند. چرخه کالوین مولکول‌های کربن را مستقیماً از هوا خارج کرده و آن‌ها را به ماده گیاهی تبدیل می‌کند.

این امر چرخه کالوین را برای وجود اکثر اکوسیستم‌‌ها حیاتی می‌کند، جایی که گیا‌هان پایه هرم انرژی را تشکیل می‌دهند. بدون چرخه کالوین، گیا‌هان قادر به ذخیره انرژی به شکلی نیستند که گیاهخواران بتوانند آن را هضم کنند و متعاقباً گوشتخواران به انرژی ذخیره شده در بدن گیاهخواران دسترسی نخواهند داشت.

ستون فقرات کربن ایجاد شده در چرخه کالوین نیز توسط گیا‌هان و حیوانات برای ساخت پروتئین، اسید‌های نوکلئیک، لیپید‌ها و سایر بلوک‌‌های ساختاری حیاتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

چرخه کالوین همچنین سطح دی اکسید کربن به عنوان یک گاز گلخانه‌ای موجود در جو کره زمین را تنظیم می‌کند. امروزه میزان دی اکسید کربن اتمسفر، نگرانی‌هایی را برای دانشمندان به وجود آورده است، زیرا فعالیت‌های انسانی علاوه بر اینکه مقادیر زیادی CO₂ را با سوزاندن زغال سنگ، روغن و بنزین دوباره به هوا باز می‌گردانند، انسان همچنین نیمی ‌از جنگل‌‌های کره زمین را با قطع بی‌رویه درختان کاهش داده است که نقش مهمی ‌در مصرف و از بین بردن CO₂ موجود در هوا داشتند.

در ادامه در مورد چگونگی ایجاد قند‌های ساده از CO₂ در مسیر چرخه کالوین بحث خواهیم کرد.

مراحل چرخه کالوین

واکنش‌های چرخه‌ کالوین در سه مرحله انجام می‌گیرند که در زیر به جزئيات هر یک این مراحل اشاره می‌شود.

فیلم آموزش بیوشیمی عمومی – جامع و به زبان ساده در فرادرس

کلیک کنید

مرحله ثبیت کربن

در تثبیت کربن، یک مولکول دی اکسید کربن از اتمسفر با یک مولکول پذیرنده پنج کربنی به نام «ریبولوز -1،5- بیس فسفات» (RuBP) ترکیب می‌شود. ترکیب شش کربنی حاصل سپس به دو مولکول از ترکیب سه کربنی، «3- فسفوگلیسریک اسید» (3-PGA) تقسیم می‌شود.

این واکنش توسط آنزیم ریبولوز -1،5- بیس فسفات کربوکسیلاز / اکسیژناز که به عنوان آنزیم «روبیسکو» (RuBisCO) نیز شناخته می‌شود، انجام می‌گیرد. با توجه به نقش کلیدی که این آنزیم در فتوسنتز بازی می‌کند، روبیسکو احتمالاً فراوان‌ترین آنزیم روی زمین به شمار می‌آيد.

مرحله کاهش

در مرحله دوم چرخه کالوین، مولکول‌های 3- فسفوگلیسریک اسید ایجاد شده از طریق تثبیت کربن، به مولکول‌‌های یک قند ساده تبدیل می‌شوند. این مولکول قندی «گلیسرالدهید -3- فسفات» (G3P) نام دارد. در این مرحله از انرژی ATP و NADPH ایجاد شده در واکنش‌های وابسته به نور فتوسنتز استفاده می‌شود. به این ترتیب، چرخه کالوین به روشی تبدیل می‌شود که گیا‌هان انرژی را از نور خورشید به مولکول‌های ذخیره‌ انرژی طولانی مدت مانند قند‌ها تبدیل می‌کنند. انرژی ATP و NADPH به قند‌ها منتقل می‌شود.

این مرحله از چرخه کالوین کاهش نامیده می‌شود، زیرا NADPH الکترون‌‌ها را به مولکول‌‌های 3- فسفوگلیسریک اسید برای ایجاد گلیسرالدهید -3- فسفات منتقل می‌کند. در شیمی، فرآیند از دست دادن الکترون‌‌ها کاهش نامیده می‌شود، در حالی که روند گرفتن الکترون‌‌ها اکسیداسیون نام دارد.

مرحله بازسازی

برخی از مولکول‌های گلیسرالدهید -3- فسفات برای ساختن گلوکز مورد استفاده قرار می‌گیرند، در حالی که برخی دیگر باید برای بازیافت ترکیب ریبولوز -1،5- بیس فسفات پنج کربنی که برای پذیرش مولکول‌های جدید کربن استفاده می‌شود، بازیافت شوند. روند مرحله بازسازی نیاز به ATP دارد. این مرحله در واقع یک فرایند پیچیده است که مراحل بسیاری را شامل می‌شود. از آنجا که برای ساختن یک گلوکز، شش مولکول کربن لازم است، باید این چرخه شش بار تکرار شود تا یک مولکول واحد گلوکز تولید شود.

برای دستیابی به این معادله، پنج مولکول از شش مولکول گلیسرالدهید -3- فسفات که از طریق چرخه کالوین ایجاد می‌شوند، برای تشکیل مولکول‌‌های ریبولوز -1،5- بیس فسفات بازسازی می‌شوند. مولکول ششم از چرخه خارج می‌شود تا بخشی ‌از یک مولکول گلوکز را تشکیل دهد.

محصولات چرخه کالوین

هر دور از چرخه کالوین، یک مولکول کربن که می‌تواند برای ساخت قند استفاده شود را تثبیت می‌کند. سه دور چرخه کالوین باید انجام شود تا یک مولکول گلیسرالدهید -3- فسفات به وجود آید. پس از انجام شش دور چرخه کالوین، دو مولکول گلیسرالدهید -3 فسفات می‌توانند برای ساختن یک مولکول گلوکز با یکدیگر ترکیب شوند. هر دور از چرخه کالوین همچنین از ۳ مولکول ATP و ۲ مولکول NADPH در فرآیند‌های کاهش (افزودن الکترون) 3- فسفوگلیسریک اسید برای تولید گلیسرالدهید -3- فسفات و بازسازی RuBP استفاده می‌کند تا بتواند اتم جدیدی از کربن را از طریق دی اکسید کربن موجود در هوا دریافت کند. این بدان معنی است که برای تولید یک مولکول واحد گلوکز، 18 ATP و 12 NADPH مورد مصرف قرار می‌گیرند.

خلاصه‌ای از واکنش دهنده‌‌های چرخه کالوین و محصولات آن

سه دور انجام چرخه کالوین برای ساختن یک مولکول گلیسرالدهید -3- فسفات لازم است که بتواند از چرخه خارج شود و به سمت ساختن گلوکز برود. در اینجا به طور خلاصه مقادیر مولکول‌های کلیدی که باید وارد چرخه کالوین شده و از آن خارج ‌شوند تا یک مولکول گلیسرالدهید -3- فسفات ساخته شود، آورده شده‌اند. در سه دور چرخه کالوین اتفاقات زیر می‌افتد:

• کربن: ۳ مولکول دی اکسید کربن با ۳ پذیرنده ریبولوز -1،5- بیس فسفات ترکیب می‌شوند و ۶ مولکول گلیسرالدهید -3- فسفات (G3P) ساخته می‌شوند.
  • ۱ مولکول G3P از چرخه خارج شده و به سمت ساخت گلوکز پیش می‌رود.
  • ۵ مولکول G3P بازیافت می‌شوند و ۳ مولکول پذیرنده RuBP را احیا می‌کنند.
• مولکول ATP: مولکول ATP به ۹ مولکول ADP تبدیل می‌شوند (۶ مولکول ADP در مرحله تثبیت و ۳ مولکول ADP در مرحله بازسازی تولید می‌شوند).
• مولکول NADPH: شش مولکول NADPH به ۶ مولکول ⁺NADP (در طی مرحله کاهش) تبدیل می‌شوند.

یک مولکول G3P شامل سه اتم کربن ثبیت شده است، بنابراین برای ساختن یک مولکول گلوکز شش کربنی دو G3P لازم است. تولید یک مولکول گلوکز به شش بار انجام چرخه کالوین یا ۶ دی اکسید کربن، ۱۸ مولکول ATP و ۱۲ مولکول NADPH نیاز دارد.

اصطلاحات مرتبط با چرخه کالوین

• کلروپلاست: اندامک اختصاصی موجود در سلول‌های گیاهی که انرژی ناشی از نور خورشید را به ATP و قند تبدیل می‌کند.
• هرم انرژی: دیاگرامی‌ که جریان انرژی از طریق یک اکوسیستم را نشان می‌دهد.
• فتوسنتز: فرآیندی که توسط آن موجودات زنده انرژی را از نور خورشید جذب می‌کنند و از آن برای ایجاد سوخت و مواد آلی برای ساخت سلول‌‌های خود استفاده می‌کنند.