结构生物化学/卡尔文循环
- 卡尔文循环也被称为光合作用的暗反应部分，其中二氧化碳中的碳原子被还原为己糖的还原状态，这是通过利用光反应产生的ATP和NADPH来实现的。卡尔文循环被称为暗反应的另一个原因是，与光反应不同，该反应与光的存在无关。该循环最初是由梅尔文·卡尔文提出的。卡尔文循环利用阳光作为能量来源，从二氧化碳气体和水中合成葡萄糖，为光合生物提供能量。这引入了所有用作燃料来源和生命生物分子骨架的碳原子。卡尔文循环和磷酸戊糖途径之间存在许多相似之处。就像彼此的镜像一样，磷酸戊糖途径通过将葡萄糖分解为二氧化碳来产生NADPH。类似地，卡尔文循环使用NADPH将二氧化碳还原为己糖。
卡尔文循环中间体生物化学家试图弄清楚二氧化碳固定的机制，认为农业光合作用可以变得更加有效。在循环的每一次“转动”中，一个二氧化碳分子与五碳糖缩合。形成的六碳中间体分裂成两个3-磷酸甘油酸分子。此外，水和磷酸基团在G3P的生物合成同化过程中被循环利用 [不断发展的科学]。
卡尔文循环的阶段发生在叶绿体的基质中，叶绿体是光合作用的细胞器。
三个阶段包括
1）通过二氧化碳被核酮糖1,5-二磷酸固定而形成的两个3-磷酸甘油酸分子
- 在这个过程的开始，核酮糖1,5-二磷酸被转化为一个高度反应性的烯二醇中间体。通过烯二醇中间体，二氧化碳分子缩合成一个不稳定的六碳化合物。该不稳定的化合物迅速水解成两个3-磷酸甘油酸分子。该反应是高度放热的，吉布斯自由能等于-51.9 kJ/mol。这是由rubisco催化的，rubisco也被称为核酮糖1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶，这种酶存在于叶绿体类囊体膜的基质表面。该反应非常重要，因为它是己糖合成的限速步骤。叶绿体中rubisco的结构包含八个大亚基（L，55-kd）和八个小亚基（S，13-kd）。每个L亚基都有一个调节位点和一个催化位点。每个S链增强L链的催化活性。rubisco是已知最丰富的酶之一，甚至也是生物圈中最丰富的蛋白质。由于其缓慢性，rubisco必须存在大量的量才能使催化作用发挥作用。
- - rubisco：为了活性，它需要一个结合的二价金属离子，通常是镁离子。镁离子通过稳定负电荷来激活结合的底物分子。它需要一个除了底物之外的二氧化碳分子来完成rubisco中镁离子结合位点的组装。这个二氧化碳分子被添加到赖氨酸201的未带电荷的ε-氨基，形成氨基甲酸盐。然后，带负电荷的加合物与镁离子结合。虽然氨基甲酸盐的形成会以较低的速度自发形成，但它是由rubisco激活酶实现的。镁离子在结合核酮糖1,5-二磷酸和激活它与二氧化碳反应中起着重要作用。镁离子与核酮糖1,5-二磷酸通过其酮基和相邻的羟基结合在一起。该复合物通过去质子化形成一个烯二醇中间体。这种反应性物质与二氧化碳偶联，形成新的碳-碳键。包括新形成的羧酸盐，产物通过三个基团与镁离子配位。当H2O被添加到β-酮酸时会形成一个中间体，该中间体裂解形成两个3-磷酸甘油酸分子。
- - rubisco还通过催化浪费的加氧酶反应而导致催化不完善。镁离子有时不与二氧化碳反应，而是与O2反应，从而催化有害的加氧酶反应。该反应的最终产物是3-磷酸甘油酸和磷酸乙醇酸。就像羧化酶反应一样，加氧酶反应需要赖氨酸201处于氨基甲酸盐形式。然而，当二氧化碳不存在时，rubisco被禁止催化加氧酶反应，因为氨基甲酸盐只在二氧化碳存在时形成。
2）通过3-磷酸甘油酸的还原而形成的己糖
rubisco的最终产物3-磷酸甘油酸被转化为果糖6-磷酸，果糖6-磷酸异构化为葡萄糖1-磷酸和葡萄糖6-磷酸。三种磷酸化己糖的混合物被称为己糖单磷酸池。这种转化的反应与糖异生途径非常相似，只是3-磷酸甘油醛脱氢酶对NADPH而不是NADH具有特异性，这会生成3-磷酸甘油醛（GAP）。二氧化碳通过rubisco催化的产物被提升到己糖的水平。然后，二氧化碳在由光反应产生的NADPH和ATP的消耗下转化为化学燃料。
3）通过再生核酮糖1,5-二磷酸来固定更多二氧化碳
卡尔文循环的最后阶段是再生核酮糖1,5-二磷酸，这是第一阶段中二氧化碳的受体。必须从六碳糖和三碳糖构建一个五碳糖。在重新排列碳原子的过程中，转酮酶和醛缩酶起着主要作用。转酮酶通过利用辅酶硫胺素焦磷酸（TPP）将一个二碳单元从酮糖转移到醛糖。另一方面，醛缩酶催化醛和二羟丙酮磷酸（DHAP）之间的醛醇缩合。虽然这种酶对多种醛具有亲和力，但它对二羟丙酮磷酸具有很高的特异性。总之，在形成五碳糖时，转酮酶将三碳糖和六碳糖转化为五碳糖和四碳糖。下一个过程是醛缩酶将四碳糖和三碳糖结合形成七碳糖。最后一步是七碳糖与另一个三碳糖反应，以形成两个额外的五碳糖。当形成五碳糖的过程完成后，核糖5-磷酸通过磷酸戊糖异构酶转化为核酮糖5-磷酸。同时，木酮糖5-磷酸通过磷酸戊糖差向异构酶转化为核酮糖5-磷酸，而核酮糖5-磷酸通过磷酸核酮糖激酶转化为核酮糖1,5-二磷酸。以下反应显示了总和
果糖6-磷酸 + 2 3-磷酸甘油醛 + 二羟丙酮磷酸 + 3 ATP → 3 核酮糖1,5-二磷酸 + 3 ADP
卡尔文循环需要六轮才能完成，因为在每一轮中，一个碳原子被还原。为了将12个3-磷酸甘油酸分子磷酸化为1,3-二磷酸甘油酸，消耗了12个ATP分子。为了将12个1,3-二磷酸甘油酸分子还原为3-磷酸甘油醛，消耗了12个NADPH分子。这是卡尔文循环的净反应
6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H2O → C6H12O6 + 18 ADP + 18 Pi + 12NADP+ + 6H+
下面显示了卡尔文循环净反应的示意图
己糖的作用
在植物中，有两种主要的糖储存形式，包括淀粉和蔗糖。淀粉与其动物对应物糖原非常相似，但分支更少，因为它的α-1,6-糖苷键比例更小。此外，活化的前体是ADP-葡萄糖，而不是UDP-葡萄糖。淀粉通常被称为葡萄糖残基的聚合物，它在叶绿体中合成和储存。与之不同的是，蔗糖是一种二糖，它在细胞质中合成和储存。植物能够将三碳磷酸从叶绿体运输到细胞质，但它们缺乏将己糖磷酸跨叶绿体膜运输的潜力。作为通过磷酸转运蛋白交换一个磷酸，三碳磷酸中间体穿过细胞质。从三碳磷酸中形成果糖6-磷酸，它与UDP-葡萄糖的葡萄糖单元结合。这形成蔗糖6-磷酸。磷酸水解并产生蔗糖，蔗糖储存在许多植物细胞中。
当类囊体膜的光反应改变基质环境时，就会发生调控。光反应会使 pH 值升高，并增加镁离子、NADPH 和还原型铁氧还蛋白的浓度。这些变化有助于将卡尔文循环与光反应耦合。具体来说，当这些分子的浓度增加和 pH 值升高时，RuBisCo 会被激活。RuBisCo 的活性增加是因为光线促进了氨基甲酸酯的形成，而氨基甲酸酯是酶活性所必需的。在基质中，当镁离子浓度增加时，pH 值也会从 7 升高到 8。为了创造质子流入基质，镁离子从类囊体腔释放出来。二氧化碳被添加到 RuBisCo 的赖氨酸 201 脱质子形式中，同时镁离子与氨基甲酸酯结合，以生成酶的活性形式。因此，光线产生调节信号、ATP 和 NADPH。
硫氧还蛋白
硫氧还蛋白是调控卡尔文循环的重要分子之一。当硫氧还蛋白被氧化时，它含有二硫键。当硫氧还蛋白被还原型铁氧还蛋白还原时，这种二硫键会被转化为两个游离的巯基。还原型的硫氧还蛋白可以裂解酶中的二硫键，从而激活一些卡尔文循环酶，并抑制一些降解酶。受硫氧还蛋白调控的酶的例子包括：RuBisCo、果糖 1,6-二磷酸酶、甘油醛 3-磷酸脱氢酶、景天庚酮糖 1,7-二磷酸酶、葡萄糖 6-磷酸脱氢酶、苯丙氨酸解氨酶、磷酸核糖激酶和 NADP+-苹果酸脱氢酶。
C4 途径
在热带气候生长时，植物能够通过在卡尔文循环部位保持高浓度的二氧化碳来防止过高的光呼吸浪费。这种过程背后的机制是，C4（四碳）化合物将二氧化碳从叶肉细胞中带走。二氧化碳在叶肉细胞中通过 ATP 在维管束鞘细胞中被浓缩。C4 化合物在维管束鞘细胞中的脱羧作用能够在卡尔文循环中维持高浓度的二氧化碳。剩余的三个碳返回叶肉细胞进行另一轮羧化。C4 途径中二氧化碳的运输始于叶肉细胞内部，此时二氧化碳和磷酸烯醇丙酮酸缩合形成草酰乙酸。该反应由磷酸烯醇丙酮酸羧化酶催化。有时，草酰乙酸可以通过 NADP+ 依赖的苹果酸脱氢酶转化为苹果酸。这种苹果酸进入维管束鞘细胞，并在叶绿体中脱羧。释放的二氧化碳通过缩合核酮糖 1,5-二磷酸进入卡尔文循环。在最后一个过程中，丙酮酸通过丙酮酸-Pi 二激酶形成磷酸烯醇丙酮酸。这是 C4 途径的净反应。
CO2（叶肉细胞） + ATP + 2H2O -> CO2（维管束鞘细胞） + AMP + 2 Pi + 2 H+
参考文献
Berg, Jeremy M., John L. Tymoczko, and Lubert Stryer. Biochemistry. 7th ed. New York: W.H. Freeman, 2012. Print.