La fase di fissazione del carbonio è comune a tutti gli eucarioti fotosintetici ed è presente anche in alcuni procarioti. Essa avviene all’interno dello stroma del cloroplasto e prende il nome di Ciclo di Calvin-Benson. In questo processo, l’ATP e l’NADPH prodotti durante la precedente fase luminosa, sono utilizzati per trasformare il carbonio della CO2 atmosferica, in composti organici come i carboidrati. La CO2 entra nel cloroplasto attraverso la rima stomatica e, per ogni molecola di CO2 fissata, il consumo di ATP e NADPH sarà in rapporto di 3:2.
La RuBisCo (acronimo di ribulosio 1-5 bifosfato carbossilasi/ossigenasi) è un enzima citosolico in grado di svolgere due attività:
- Carbossilare il substrato
- Ossigenare il substrato
La sua struttura comprende 8 sub-unità maggiori (L8) e 8 sub-unità minori (S8): le prime sono codificate dal cloroplasto, le seconde dal genoma nucleare. La massa complessiva ammonta a 550 KDa. La sub-unità S ha sulla sua porzione ammino-terminale un peptide di transito, che serve a indirizzare la proteina verso il cloroplasto. Dopo essere entrato, il peptide viene tagliato e la proteina si assembla con altre sub-unità. Alla fine, si formerà l’enzima RuBisCO, pronto ad essere utilizzato.
Il Ciclo di Calvin è suddiviso in tre fasi:
- carbossilazione
- riduzione
- rigenerazione
La fase di carbossilazione
In questa prima fase, tre molecole di CO2 e tre molecole di H2O, reagiscono con tre molecole di ribulosio 1,5-bifosfato (un monosaccaride a 5 atomi di C) per formare sei molecole di 3-fosfoglicerato. Questa reazione è catalizzata dalla RuBisCo. Nella prima reazione parziale, un H+ è estratto dal C in 3 del ribulosio 1,5-bifosfato. In seguito, l’aggiunta di CO2 gassosa conduce alla seconda reazione parziale, che porta alla formazione dell’intermedio 2-carbossi-3-chetoarabitol-1,5-bifosfato. L’idratazione di questo intermedio, porta a due molecole di 3-fosfoglicerato.
La fase di riduzione
In questa fase, il 3-fosfoglicerato viene ridotto a gliceraldeide 3-fosfato tramite due reazioni:
- L’ATP generato fotochimicamente va a fosforilare il 3-fosfoglicerato al gruppo carbossilico, producendo un acido detto 1,3-bifosfoglicerato. Questa reazione è catalizzata dalla 3-fosfoglicerato chinasi.
- In seguito, l’NADPH, generato anch’esso dalle reazioni alla luce, riduce l’1,3-bifosfoglicerato a gliceraldeide 3-fosfato. Questa reazione è catalizzata da un enzima del cloroplasto detto NADP+-gliceraldeide-3-fosfato-deidrogenasi.
La fase di rigenerazione
Alla fine della fase di riduzione, si otterranno sei molecole di gliceraldeide 3-fosfato. Di queste, una servirà per la sintesi di amido (nel cloroplasto) e saccarosio (nel citosol) e cinque saranno usate per rigenerare il ribulosio 1,5-bifosfato, attraverso una serie di dieci reazioni catalizzate da enzimi, uno dei quali richiede ATP.
Questa scoperta si deve al biochimico Melvin Calvin e alla sua équipe che, con i loro studi sulla Chlorella, un’alga verde unicellulare provvista di un unico grosso cloroplasto, riuscirono a identificare con precisione tutte le fasi del processo. In virtù di questo, Calvin ricevette nel 1961 il premio Nobel per la chimica.
Fonte: L. Taiz, E. Zeiger – Fisiologia Vegetale – Piccin – 2012
