Calvin Zyklus: Chemie leicht erklärt

Der Calvin Zyklus als Sekundärreaktion der Photosynthese und Lebensgrundlage fast allen Lebens.


Beim Calvin Zyklus handelt es sich um eine periodische Abfolge von Reaktionen, einen Kreislauf, katalysiert durch verschiedene Enzyme speziell bei der Photosynthese. Der erste Teil des Namens stammt vom 1997 verstorbenen Nobelpreisträger Melvin Calvin, der für die Entdeckung ebendieses molekularbiologischen Vorgangs geehrt wurde.

Die drei Phasen des Calvin Zyklus
Der Calvin Zyklus lässt sich in drei wichtige Phasen teilen: Die Carboxylierung, die Reduktion und die Regenerierung. Während der Carboxilierung oder auch CO2-Fixierung wird in Wasser gelöstes Kohlenstoffdioxid, an das wohl wichtigste Enzym überhaupt angelagert: Rubisco oder auch RibUlose-1,5-BISphosphat-Carboxylase/-Oxygenase. Da diese Verbindung äußerst instabil ist, zerfällt es sogleich in zwei C3-Körper (3-Phosphoglycerinsäure). Diese werden nun reduziert. Dabei werden ATP und NADPH/H+, entstanden bei der Primärreaktion der Photosynthese, verbraucht sowie Wasser abgespalten. Es entstehen also zwei Moleküle Glycerinaldehyd-3-Phosphat. Rein rechnerisch würde nun, nachdem sechs dieser Moleküle entstanden sind, jeweils eins aus dem Calvin Zyklus ins Cytosol austreten, um zu Glucose und anderen Stoffwechselprodukten weiter verarbeitet zu werden und die restlichen fünf würden im Kreislauf nun in die letzte Phase, die Regeneration, eingehen. Hier ist die Wiederherstellung des CO2-Akzeptormoleküls, Rubiscos, das Ziel. Durch Umbau und Zusammenlagerung verschiedener Zwischenstufen von C3- bis C7-Körpern entsteht letztlich Ribulose-5-Phosphat welches mit ATP zu unserem Anfangsenzym Ribulose-1,5-Bisphosphat reagiert.

Faktoren
Als Kompartiment für diese Reaktion dient das Stroma der Chloroplasten, in das aus der Primärreaktion der Fotosynthese ATP sowie NADPH/H+ eingebracht wird. Es gilt weiterhin die Reaktionsgeschwindigkeits-Temperatur-Regel (RGT-Regel) und natürlich muss genügend CO2 vorhanden sein. Anzumerken sind außerdem neue Erkenntnisse, nach denen der Begriff „Dunkelreaktion“ falsch und nicht zu verwenden ist, denn einige Enzyme des Calvin Zyklus sind sehr wohl vom Faktor Licht abhängen. Enzyme mit Disulfitbrücken, wie zum Beispiel die Ribulose-5-Phosphat-Kinase, müssen nach Verbrauch durch lichtabhängiges Thioredoxin wieder aktiviert werden. Außerdem ändern sich während der Belichtung der pH-Wert sowie die Magnesium-Iionen-Konzentration im Stroma, was ebenfalls einen Einfluss auf das Rubisco hat.

Calvins Experiment
Wie wurde das nur alles entdeckt? Dieser äußerst elementare Stoffwechsel-Prozess ist von Calvins Forschungsgruppe über eine Vielzahl einzelner Experimente aufgeklärt worden. Forschungsobjekte waren einzellige Grünalgen. Diese wurden mit radioaktiven 14CO2 bedampft und über eine Chromatographie wurde anschließend der neue Aufenthaltsort des 14C Atoms festgestellt. Nach verschiedenen Zeitintervallen wurde hierzu sämtliche Enzymaktivität mit kochendem Alkohol gestoppt, da diese denaturierten. So wurden einzelne Zwischenverbindungen nachgewiesen und konnten interpretiert werden, wofür Melvin Calvin 1961 schließlich seinen Nobelpreis erhielt.