چرخه کالوین چیست؟ – مراحل و اهمیت انجام آن
به مجموعه ای از واکنش های شیمیایی که در فتوسنتز بدون نور انجام شده و دی اکسید کربن را به گلوکز تبدیل می کند، چرخه کالوین می گویند. در فتوسنتز بعد از واکنش های مرحله اول که وابسته به نور هستند، این مرحله که مستقل از نور است انجام می شود. محل انجام آن در استرومای کلروپلاست می باشد. این چرخه باعث تثبیت و تبدیل کربن موجود در دی اکسید کربن به مولکول آلی گلوکز می شود. در کتاب علوم پایه ششم چرخه کالوین آورده شده است. برای آشنایی بیشتر با چرخه کالوین و مراحل آن، این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک را مطالعه بفرمایید.
فهرست مطالب :
۱- تاریخچه کشف چرخه کالوین
۲- چرخه کالوین چیست؟
۳- مراحل انجام چرخه کالوین
۱-۳- مرحله تثبیت کربن
۲-۳- مرحله کاهش
۳-۳- مرحله بازسازی
۴- مواد حاصل از چرخه کالوین
۵- اهمیت چرخه کالوین
۱- تاریخچه کشف چرخه کالوین :
در سال ۱۹۵۴ بود که ملوین کالوین، از ایزوتوپ رادیواکتیو کربن ۱۴ استفاده کرده و به چرخه کالوین پی برد. در این تحقیق جیمز باسم و اندرو بنسون در دانشگاه کالیفرنیا نیز همراه او بودند. او متوجه شد که دی اکسید کربن می تواند بعد از انجام واکنش های آنزیمی چرخه ای در کلروپلاست، قندها را ایجاد کند. وقتی جلبک کلرلا توسط کالوین در مقابل دی اکسید کربن نشاندار قرار داده شد، بررسی محصولات جداشده از آن ها، بعد از پنج ثانیه، نشان داد که در این جلبک قند سه کربنه ای تشکیل شده است. کالوین بعد از کشف این چرخه در سال ۱۹۶۱، توانست جایزه نوبل دریافت کند. این چرخه را می توان با نام های چرخه C۳، واکنش های تاریک، چرخه پنتوز فسفات کاهش یافته و چرخه CBB شاخت.
۲- چرخه کالوین چیست؟
بدن همه ی موجودات زنده از جمله انسان بر پایه کربن می باشد. این کربنی که در بدن انسان ها وجود دارد از دی اکسید کربن هوا با چرخه کالوین به دست می آید. در این چرخه که بعد از مرحله واکنش های وابسته به نور در فتوسنتز (فرآیندی که با جذب انرژی خورشیدی، مواد آلی برای ساخت سلول های موجودات زنده تأمین می شود) انجام می شود، مولکول های کربن دی اکسید کربن به گلوکز تثبیت می شود. این چرخه در بستره (استروما) در کلروپلاست انجام می شود. این واکنش ها چون توسط نور به طور مستقیم توسط نور هدایت نمی شوند، مستقل از نور می باشند.
نکته :
واکنش های نوری در غشای تیلاکوئید و واکنش های چرخه ی کالوین در استرومای کلروپلاست (اندامکی در گیاه که می تواند انرژی خورشیدی را به ATP و قند تبدیل کند) انجام می شود.
۳- مراحل انجام چرخه کالوین :
۱-۳- مرحله تثبیت کربن :
در این مرحله یک قند پنج کربنه به نام ریبولوز۱-۵- بیس فسفات با دی اکسید کربن حل شده در استرومای کلروپلاست ترکیب می شود. در این مرحله که به نام تثبیت CO۲ نام دارد، مولکول شش کربنی ناپایدار تشکیل شده بلافاصله به دو مولکول سه کربنی یک فسفاته شکسته می شود. این مولکول سه کربنی یک فسفاته ۳- فسفوگلیسریک اسید (PGA) یا ۳- فسفوگلیسرات (۳PG) نام دارد. مرحله تثبیت کربن به کمک آنزیم روبیسکو (ریبولوز -۵,۱- بیس فسفات کربوکسیلاز- اکسیژناز) انجام می شود که فعالیت آن در حضور نور انجام پذیر است.
۲-۳- مرحله کاهش :
در مرحله کاهش مولکول های سه کربنه یک فسفاته یعنی ۳- فسفوگلیسریک اسید به یک قند ساده به نام گلیسرآلدهید -۳- فسفات (GAL3P) تبدیل می شوند. تشکیل این مولکول ها با گرفتن یک گروه فسفات از مولکول ATP و شکستن باند فسفات و گرفتن الکترون از NADPH انجام می شود. انتقال الکترون از NADPH به مولکول های ۳- فسفوگلیسریک اسید، علت نامگذاری این مرحله، به نام کاهش است. ATP و NADPH از واکنش های فتوسنتز وابسته به نور حاصل می شوند که با انتقال به گیاهان به ذخایر انرژی طولانی مدت یعنی قندها تبدیل می شوند.
۳-۳- مرحله بازسازی :
چرخه کالوین سه بار تکرار شده و از سه مولکول CO۲ مصرف شده، شش مولکول گلیسرآلدهید -۳- فسفات ایجاد می شود که یکی از آن ها از چرخه خارج می شود. اما پنج مولکول دیگر، باید برای بازیافت ترکیب ریبولوز ۵,۱- بیس فسفات (RuBP)، در چرخه باقی بماند تا بتواند مولکول های جدید کربن را جذب کنند. در مرحله بازسازی ATP استفاده می شود. چون یک مولکول گلوکز دارای شش کربن است، برای تشکیل یک گلوکز باید چرخه کالوین شش بار تکرار شود.
۴- مواد حاصل از چرخه کالوین :
در هر چرخه کالوین یک مولکول کربن از یک مولکول CO۲ تثبیت می شود. با انجام سه بار این چرخه، یک مولکول گلیسر آلدهید -۳- فسفاته و با چرخش شش بار این چرخه، دو مولکول گلیسر آلدهید -۳- فسفاته ایجاد می شود. با ترکیب این دو مولکول، یک مولکول گلوکز ساخته می شود. در یک دور این چرخه نیز سه مولکول ATP و دو مولکول NADPH استفاده می شود تا مولکول های گلیسر آلدهید -۳- فسفات تولید شوند. همچنین برای جذب اتم کربن از دی اکسید کربن هوا، مولکول های ریبولوز ۵,۱- بیس فسفات بازیافت شوند. در نتیجه می توان گفت برای این که یک مولکول گلوکز در تکرار شش بار این چرخه تولید شود، ۱۸ مولکول ATP و ۱۲ مولکول NADPH مورد استفاده قرار می گیرد.
توجه :
در طی مراحل چرخه ی کالوین مولکول ATP، شش مولکول ADP را در مرحله تثبیت و سه مولکول ADP را در مرحله بازسازی تولید می کند. همچنین مولکول های NADPH با واکنش کاهشی (از دست دادن الکترون خود) مولکول NADP+ را می سازند.
۵- اهمیت چرخه کالوین :
حاصل عملکرد این چرخه، تشکیل قندهای سه کربنه ای می باشد که از آن می توان قندهای گلوکز، سلولز و نشاسته ساخته شوند. بدون این چرخه حیات بسیاری از اکوسیستم ها دچار اختلال می شود. چون در طی این چرخه است که گیاهان می توانند انرژی را به شکل طولانی مدت در خود ذخیره کرده و از طریق آن ها، وارد بدن گیاه خوران و سپس وارد بدن گوشت خوران می شود و انرژی در دسترس آن ها قرار می گیرد. ساختارهای کربنی ایجاد شده در این چرخه می تواند در ساخت لیپیدها، پروتئین و اسیدهای نوکلئیک مورد استفاده قرار می گیرد.
از اهمیت و مزایای چرخه مذکور می توان به تنظیم کردن میزان دی اکسید کربن جو به عنوان یک گاز گلخانه ای، اشاره کرد. چون این گاز گلخانه ای که برای محیط می تواند بسیار خطرناک باشد، از سوزاندن بنزین، روغن و زغال سنگ وارد جو می شود. قطع بی رویه درختان نیز در افزایش این گاز بسیار تأثیرگذار می باشد.
