متابولیسم کربن در فتوسنتز
واکنشهای فتوسنتزی در دو مرحله انجام می گیرند .
در مرحله اول یا مرحله واکنشهای نوری ، انرژی نورانی به انرژی شیمیایی تبدیل می شود وATP وNADPH به وجود می آید .
این دو ماده برای انجام واکنشهای مرحله دوم فتوستز یا واکنشهای تاریکی لازم اند .
در نور ، گیاه سبز دی اکسید کربن جو را جذب و در سیستم فتوسنتزی تثبیت دی اکسید کربن ابتدا منجر به تشکیل نخستین فرآورده(های)پایدار فتوسنتزی می شود و سپس بتدریج سایر فراورده ها به وجود می آیند .
واکنشها ی احیای دی اکسید کربن و تبدیل آن به کربوهیدارتها در گیاهان سبز فتوسنتز کننده به صورت چرخه ای و به چرخه متابولیسم کربن موسوم است این چرخه به طور کلی ویژگیهایی دارد که عمدتا عبارت اند از : (1) انجام فرایند کربوکسیله شدن و تشکیل نخستین فراورده نسبتا پایدار فتوسنتزی ،(2) فعال بودن آنزیم کربوکسیلاز ،(3) وجود ماده پذیرنده دی اکسید کربن ،(4) بازسازی ماده پذیرنده دی اکسید کربن و بالاخره ،(5) خروج بخشی از کربن تثبیت شده از چرخه و تشکیل فراورده های ذخیره ای فتوسنتز .چرخه متابولیسم کربن در فتوسنتز در همه گیاهان یکسان نیست .
به طور عمده امروزه سه نوع چرخه متابولیسمی برای متالیسم کربن در فتوسنتز شناخته شده است:
- اولین چرخه به چرخه کالوین (یا چرخه فتوسنتزی احیای کربن یا چرخه احیای پنتوز فسفات در فتوسنتز و یا چرخه متابولیسم کربن در گیاهان C3 موسوم است .
یا به اختصار RUDP است .
نخستین فرآورده نسبتا پایدار فتوسنتزی در این چرخه اسید آلی سه کربنC3 بنام اسید 3 – فسفو گلیسریک است .
آنزیم مسئول اضافه شدن Co2و RUDP یا انجام کربو کسیلا سیون در گیاه ، ریبولوزدی فسفات ، کربوکسیلاز نام دارد .
- چرخه دوم به چرخه اسید دی کربو کسیلی C4یا چرخه متابولیسم کربن در گیاهان C4 و یا به اختصار به چرخه C4 موسوم است .
پذیرند ه دی اکسید کربن در این چرخه یک اسید سه کربنی آلی به نام اسید فسفوانول پیرووی یا به اختصار PEP است .
که در نتیجه کربو کسیله شدن آن با دی اکسید کربن ، نخستین فراورده فتوسنتزی به صورت یک اسید آلی چهار کربنی به نام اسید اگزالواسیک به وجود می آید .
آنزیم کربو کسیلاز مربوطه فسفوانول پیروویک کربو کسیلاز یا به اختصار PEP – کربو کسیلاز است .
در فتوسنتز گیاهان C4 چرخه متابولیسمی کربن پس از طی مراحلی به چرخه کالوین منتهی می شود .
در واقع در گیاهان C4 مقدم بر چرخه کالوین ، چرخه دیگری یافت می شود که هر دو تواما به چرخه C4 موسوم اند .
- چرخه سوم متابولیسم کربن قتوسنتزی متابولیسم اسیدی کراسو لا سه ای یا متابو لیسم نوع کراسو لاسه ای است .
گیاهان دارای این چرخه در نواحی خشک و کویری می رویند .
روزنه های برگ در این گیاهان در روز بسته است و در شب باز می شوند .
گیاه در طول شب دی اکسید کربن مورد نیاز دستگاه فتوسنتزی را جذب می کند .
ماده پذیرنده دی اکسید کربن اسید فسفوایول پیروویک (PEP ) است که پس از کربو کسیله شدن به صورت ماده ای چهار کربنی به نام اسید مالیک ظاهر می شود .
آنزیم مسئول کربوکسیله شدن PEP کربو کسیلاز است .
در روز اسید مالیک به اسید پیروویک و دی اکسید کربن تبدیل می شود و دی اکسید کربن حاصله به چرخه ای مشابه چرخه کالوین وارد می شود و فراورده های فتوسنتزی را به وجود می آورد .
تصویر شماره یک - فسفوریلاسیون
تصویر شماره دو - واکنش های نور و تاریکی
چرخه کالوین یا چرخه احیای پنتوز فسفات در گیاهان C3
در جریان انجام عمل فتوسنتر ، دی اکسید کربن جذب شده توسط برگهای سبز با کمک عواملی نظیر ATP و NADPH (که در جریان واکنشهای فتو شیمیایی فتوسنتز تامین می شود ) احیا و به کربوهیدراتها و انواع دیگر فراورده های فتوسنتزی تبدیل می کنند .
کشف کربن رادیواکتیو (C 14 ) به مثابه ردیابی مناسب جهت تعقیب فرایندهای مربوط به متابولیسم کربن ، عامل عمدهای در ارتقای دانش بشر درباره فرایند های زیست شیمیایی فتوسنتز گیاهان به شمار می رود .
می دانیم که با استفاده از ایزوتوپ رادیواکتیو عنصری مشخص مسیر متابولیسمی آن را می توان رد یابی کرد .
معیار رد یابی ایزو توپ رد یاب تشعشات رادیو اکتیوی است که از آن صادر می شود .
بنابراین با اندازه گیری رادیواکتیویته فراورده های موجود در یک چرخه متابولیسم ، نه تنها رد یابی مسیر متابولیسمی عنصری مشخص میسر است بلکه با اندازه گیری غلظت رادیو اکتیویته موجود در فراورده های متابولیسمی می توان سمت انها را با یکدیگر مقایسه کرد .
کربن رادیو اکتیو (C 14 ) به مثابه رد یابی جهت تعقیب مسیر متابولیسمی کربن در فتوسنتز در اوایل دهه 1940 توسط گروهی از گیاه شناسان به سرپرستی کالوین و بنسون در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی به کار گرفته شد .
مراحل عملی استفاده از کربن رادیواکتیو (C 14) برای بررسی متابولیسم کربن در فتوسنتز را میتوان به شرح زیر خلاصه کرد :
ابتدا گیاهان مورد نظر (گیاهان سبز ابتدایی نظیر جلبکهای سبز یا گیاهان سبز عالی ) در شرایط مناسبی از مواد غذایی ، حرارت و نور رویانده می شوند .
گیاهان در این شرایط به رشد خود ادامه می دهند و از دی اکسید کربن جو که دارای کربن معمولی(C 12 ) است تغذیه می کنند .
کربن جذب شده توسط گیاهان وارد چرخه متابولیسمی فتوسنتز می شود و بتدریج فراورده های فتوسنتزی گوناگونی به وجود می آورد .
متابولیسم فتوسنتز در چنین شرایطی و بتدریج سیر طبیعی خود را طی می کند که اصطلاحا آن را فتوسنتز در حالت آرام می نامند .سپس در زمان معینی دی اکسید کربن با کربن رادیواکتیو (C 14 ) در اختیار گیاه قرار می گیرد.
به گیاهان امکان داده می شود تا همچنان در حرارت و نور مناسب به عمل کربن گیری فتوسنتزی ادامه دهند .
از لحظه جذب 14Co2 در زمانهای متفاوت ( 5 ثانیه ، 10 ثانیه ، 20 ثانیه ، 40 ثانیه ، یک دقیقه و غیره ) نمونه هایی از گیاه سبز در حال انجام فتوسنتز را برداشت و بلافاصله آن را در اتانول جوشان وارد می کنند و آن را می کشند .
در نتیجه واکنشهای آنزیمی متوقف و نیز ترکیبات محلول در الکل موجود در نمونه گیاهی از برگ استخراج می شوند .
سپس با بررسی شیمیایی این عصاره الکلی فراورده های فتوسنتزی محتوی C 14 را تعیین می کنند .
به این ترتیب می توان مسیر کربن را در متابولیسم فتوسنتزی ترسیم و ترتیب فراورده های فتو سنتزی و جای هر کدام را در چرخه متابولیسم کربن فتوسنتزی مشخص کرد .
با این روش می توان دریافت که نخستین فراورده ( های) تشکیل شده در فتوسنتز کدام است و در چرخه کربن فتوسنتزی از چه راهی سایر فراورده های فتوسنتزی را به وجود می آورد .
گروه برکلی در آزمایشهای اولیه خود روشهای تجزیه شیمیایی نظیر استخراج ، تهیه رسوب ، تولید کریستال و غیره مناسب در مطالعه مولکولهای آلی را برای کار خود برگزیده بودند ولی تجربه نشان داد که اینها روشهایی مشکل اند و برای استخراج مواد با مقدار خیلی کم در گیاه مناسب نیستند .
با این روش می توان دریافت که نخستین فراورده ( های) تشکیل شده در فتوسنتز کدام است و در چرخهکربن فتوسنتزی از چه راهی سایر فراورده های فتوسنتزی را به وجود می آورد .
تجربه نشان داد که در آزمایشهای مورد استفاده در این روشها مقدار مواد مورد بررسی باید حدود میلی گرم باشد .
همزمان با کاربرد Co2 برای رد یابی مسیر کربن در متابولیسم فتوسنتزی از روش تجزیه ای جدیدی نیز استفاده شد .
این روش کروماتوگرافی کاغذی است .
البته باید اشاره کرد که برای جدا کردن رنگیزه های گیاهی در اواخر قرن نوزدهم استفاده از کروماتوگرافی ستونی متداول بود ولی کاربرد کاغذ صافی در کروماتوگرافی تا اواسط دهه 1940 معمول نبود .
کالوین ، بنسون و همکارانشان برای جدا کردن ، استخراج و تشخیص مولکولهای آلی که در جریان تثبیت دی اکسید کربن فتوسنتز در گیاه به وجود می آیند از روشهای فوق استفاده کردند .
بررسیهای مورد نظر بر روی دو نوع جلبک یکی کلورلا و دیگری سنه دسموس انجام گرفت .
آزمایشهای مشابهی که بر روی برگهای سبز جدا شده از گیاهان عالی انجام پذیرفت ، نتایج آزمایشهای کالوین و بنسون را تایید کردند .
بررسیهای انجام شده نشان داد که با قرار گرفتن گیاه به مدت چند دقیقه در معرض Co2 14 تعدادی از مولکولهای آلی رادیواکتیو می شوند .
هر قدر گیاه مدت زمان کمتری در معرض 14Co2 قرار گیرد تنوع مولکولهای آلی رادیو اکتیو نیز کمتر است .
اگر یاه تنها دو ثانیه در معرض Co2 14 قرار گیرد قسمت اعظم کربن رادیواکتیو فقط در یک مولکول آلی ، یعنی اسید 3 – فسفوگلیسریک (PGA ) ، ظاهر می شود .
این ترکیب نخستین فراورده پایدار تثبیت کربن فتوسنتزی در چرخه کالوین به شمار می رود .
تصویر شماره سه - چرخه کالوین نخستین فراورده پایدار تثبیتCo2 فتوسنتزی در چرخه کالوین استفاده از روش کروماتوگرافی کاغذی و تهیه فیلم از کروماتوگرام امکان تعقیب مسیر متابولیسمی کربن تثبیت شده در فتوسنتز را فذاهم کرد و منجر به شناسایی فراورده های فتوسنتزی شد و با این روش و در نظر گرفتن عامل زمان در جریان عمل کربن گیری فتوسنتزی ، ترتیب فراورده های فتوسنتزی نسبت به یکدیگر مشخص و بالاخره این امکان فراهم شد که همراه با پژوهشهای بعدی ، چرخه کتابولیسم کربن فتوسنتزی ترسیم و نقش ترکیبات پیشاهنگ ، ترکیبات پذیرنده و ترکیبات حد واسط و نهایی در کل چرخه متابولیسم کربن فتوسنتزی تعیین شود .
به طور خلاصه می توان گفت که با استفاده از روش کروماتوگرافی مکانیسم احیای دی اکسید کربن تثبیت شده در فتوسنتز را می توان بررسی و شناسایی کرد .
پس از آنکه گیاه سبز 2 تا 5 ثانیه در معرض Co214 و نور کافی قرار گرفت قسمت اعظم C 14 ( حدود 90% آن در اسید فسفوگلیسریک (PGA ) ظاهر می شود .
اسید فسفوگلیسریک یک مولکول اسید آلی سه کربنی با فرمول شیمیایی زیر است : CH2O P .CHOH.*COOH P مخفف فسفات معدنی به فرمول – H2PO3 است که از اسید فسفریک به فرمول H2PO3(OH) و یا P(OH) و یا H3PO4 به وجود می آید .
P را گاهی با Pi نیز نشان می دهند .
وجه تسمیه گلیسریک به اسید فوق آن است که این اسید آلی سه کربنی از نظر شیمیایی از گلیسرول مشتق می شود که یک الکل سه کربنی است : CH2OH.CHOH.CH2OH پژوهشهای بعدی نشان داد که رادیواکتیویته CO2 14 پس از این مدت (2 تا 5 ثانیه) ، تنها در کربن کربوکسیل (-COOH ) مولکول اسید 3- فسفوگلیسریک ظاهر می شود و دو کربن دیگر رادیواکتیو نمی شوند .
در فرمول PGA که بدان اشاره شد قابلیت رادیواکتیویته با علامت شتاره (*) نشان داده شده است .
ریبولوز- 5،1 – دی فسفات به مثابه پذیرند ه اولیه Co2 در فتوسنتز از همان نخستین پژوهشهای اولیه توجه داشتند که دی اکسید کربن جذب شده در جریان عمل فتوسنتز مستقما و بدون واسطه قابل احیا نیست و نمی تواند به نخستین فراورده فتوسنتزی تبدیل شود ، بلکه ابتدا طی یک واکنش غیر فتو شیمیایی توسط یک مولکول آلی که نقش پذیرند ه دی اکسید کربن را ایفا می کند ، پذیرفته می شود .پس از روشن شدن اینکه اسید 3- فسفو گلیسریک نخستین فراورده پایدار فتوسنتزی است ، راه برای شناخت ماهیت پذیرند ه دی اکسید کربن فتوسنتزی هموارشد .
چون با به کار بردن دی اکسید کربن رادیواکتیو ، 2 تا 5 ثانیه پس از تغذیه Co2 14 توسط گیاه سبز قسمت اعظم رادیواکتیویته در گروه کربوکسیل اسید 3- فسفوگلیسریک مشاهده می شود ، این امر وجود واکنش کربو کسیله شدن را در محیط فعالیت فتوسنتزی نشان می دهد .
پس همان که می بینیم ، واکنش کربو کسیله شدن واکنشی است که طی آن مولکول Co2 خود را در بین بنیان آلی R و یک اتم H جایگزین می کند و د رنتیجه مولکول Co2 توسط اتم H احیا می شود و گروه کربوکسیل را به وجود می آورد.
بلافاصله پس از کشف اسید فسفر گلیسریک به عنوان نخستین فراورده فتوسنتزی چنین تصور شد که احتمالا ماده پذیرند ه Co2 گلیکول فسفات ( P OCH2.CH2OH ) است که خود مشتق از گلیکول (CH2OH.CH2OH) است.
این فرضیه هرگز به اثبات نرسید .
پس از کشف رابطه بین ریبولوز 5،1 – دی فسفات و اسید فسفو گلیسریک در بررسیهای متالیسم کربن فتوسنتزی با کاربرد روش کروماتو گرافی کاغذی و عکسبرداری از مواد رادیواکتیو ، ماهیت پذیرنده اولیه Co2 نیز روشن شد .
هنگامی که ریبولوز - 5،1 – دی فسفات به دی اکسید کربن افزوده شود یک ترکیب آلی اسیدی 6 کربنی ناپایدار به وجود می آید که پس از تجزیه به 2 مولکول آلی سه کربنی تبدیل می شود .
رادیواکتیو شدن عامل کربوکسیل مولکول اسید فسفو گلیسریک نشان دهنده آن است که ابتدا باید ماده ای پذیرنده دی اکسید کربن ، Co2 رادیواکتیو را بپذیرد و سپس این ترکیب حد واسط به اسید فسفوگلیسریک (PGA ) تبدیل شود .
فرایند اخیر را می توان به شرح زیر نشان داد : P OCH2.CHOH.COOH ترکیب حد واسط Co2 + پذیرنده دی اکسید کربن پژوهشهای بعدی که از جمله با استفاده از روش کروماتوگرافی کاغذی انجام پذیرفت ، ماهیت شیمیایی پذیرنده دی اکسید کربن فتوسنتزی را آشکار ساخت .
این ماده ، ریبولوز- 5،1 – دی فسفات(RUDP) نام دارد که یک قند پنچ کربنی فسفریله شده است .
فرمول شیمیایی ریبولوز- 5،1 – دی فسفات بشرح زیر است : 5 4 3 2 1 P OCH2.CO2.CHOH.CHOH.CH2O P اعداد روی کربنها در فرمول فوق ترتیب آنها را نشان می دهد.
با استفاده از روش کروماتوگرافی کاغذی مقدار رادیواکتیویته موجود در فراورده های فتوسنتزی در شرایط متفاوت از نظر غلظت دی اکسید کربن و شدت روشنایی مورد بررسی قرار گرفت .
ملاحظه شد که در حضور دی اکسید کربن از تراکم ریبولوزدی فسفات کاسته شد .
در غیاب آن تغییری در تراکم ریبولوزدی فسفات مشاهده نمی شود .
افزایش غلظت دی اکسید کربن در محیط به کاهش غلظت ریبولوزدی فسفات می انجامد .
کاهش غلظت ریبولوزدی فسفات در حضوردی اکسید کربن همیشه با افزایش غلظت اسید فسفو گلیسریک ( نخستین فراورده پایدار فتوسنتزی) همراه است .
در یاخته های فتوسنتز کننده ای که در تاریکی مانده باشند ریبولوزدی فسفات به فراوانی یافت می شود .
ریبولوز- 5،1 – دی فسفات با دی اکسید کربن ترکیب می شود که نتیجه این ترکیب تولید دو مولکول اسید فسفو گلیسریک (PGA ) است .آنزیم مسئول کاتالیز واکنش فوق ، ریبولوز دی فسفات کربوکسیلاز نام دارد .
واکنش پذیرفته شدن یک مولکول دی اکسید کربن توسط یک مولکول ریبولوز-5،1 – دی فسفات ، واکنش کربو کسیله شدن است .
فراورده این واکنش یک مولکول آلی 6 کربنی کتو اسید ناپایدار است و اسید دی فسفو گلوکونیک نامیده می شود .
این ترکیب 6 کربنی ناپایدار به نوبه خود طی واکنش هیدرولیز و نیز طی یک واکنش دیسموتاسیون ( اکسیده شدن گروه کربنیل و تبدیل آن به گروه کربوکسیل) و نیز احیای کربنیل دیگر با الکل ، به دو مولکول اسید 3- فسفوگلیسریک تبدیل می شود.
آنزیم مسئول انجام این واکنش کربوکسی دیسموتاز نام دارد .
نظر به این که در فتوسنتز ، ماده پذیرنده دی اکسید کربن ریبولوزدی فسفات و نخستین فراورده فتوسنتزی اسید فسفوگلیسریک ( حاصل از کربوکسیله شدن ریبولوزدی فسفات) است در آزمایشگاه کالوین نشان داده شد که در شرایط فتوسنتز یکنواخت اثر کاهش ناگهانی Co2 موجود در سیستم فتوسنتزی به صورت کاهش فوری غلظت اسید فسفو گلیسریک و همراه آن افزایش فوری غلظت ریبولوز دی فسفات ظاهر می شود .
چون در چرخه کالوین نخستین فراورده پایدار فتوسنتزی یک ترکیب سه کربنی است ، گیاهانی که در تثبیت کربن فتوسنتزی این طرح متایولیسمی را نشان می دهند به گیاهان C3 معروف اند .
همان طوری که در بخشهای آینده خواهیم دید ،گیاهان دیگری هستند که این طرح متابولیسمی را نشان نمی دهند بلکه در طرح متابولیسمی تثبیت Co2 فتوسنتزی در آنها ،نخستین فراورده پایدار فتوسنتزی یک ترکیب آلی چهار کربنی است .این گیاهان را گیاهان C4 می نامند .
در گروه دیگری از گیاهان تثبیت کربن مورد نیاز فتوسنتزی در شب انجام می پذیرد.
در این گیاهان در روز، به هیچ وجه تثبیت کربن از هوای پیرامونی وجود ندارد .در این گروه گیاهی دستگاه فتوسنتزی کربن مورد نیاز خود را در روز از دی اکسید کربنی که در تاریکی تثبیت شده است تامین می کند.
این گیاهان را گیاهان با متابولیسم نوع کراسولاسه ای یا به اختصار گیاهان کام می نامند.
احیای اسید فسفو گلیسریک توسط NADPH2 در حضور ATP (که در واکنشهای فتو شیمیایی فتوسنتزی به وجود آمده اند) انجام می شود که بخشی از آن صرف تشکیل اولین قند سه کربنی فتوسنتزی و سایر قندها و فراورده های آزاد فتوسنتزی نظیر نشاسته و ساکاروز و بخش دیگر صرف بازسازی پذیرنده دی اکسید کربن فتوسنتزی یعنی ریبولوز- 5،1 – دی فسفات می شود .
در واقع حدود 6/5 اسید فسفو گلیسریک تولید شده در فتوسنتز صرف بازسازی ریبولوزدی فسفات و 6/1 دیگر صرف تولید فراورده هایی می شود که به ((فراورده نهایی)) هگزوز منتهی می شوند .ترکیبات حد واسط حاصل از واکنشهای زیست شیمیایی مربوط به چرخه بازسازی ریبولوزدی فسفات توسط کالوین ، بنسون، باشام و همکارانشان مورد بررسی و شناسایی قرار گرفت.
چرخه حاصل از واکنشهای مربوطه، به چرخه کالوین یا چرخه احیایی پنتوز فسفات در فتوسنتز موسوم است.
در چرخه کالوین قندهای پنچ کربنی فسفریله شده گوناگونی یافت می شود که میتوان از: ریبوز- 5 – فسفات، گزیلوز- 5 – فسفات، ریبولوز- 5 – فسفات، و ریبولوز- 5،1 – دی فسفات(RUDP ) نام برد.
چرخه کالوین را می توان به سه بخش عمده تفکیک کرد: (1) بخشی که درآن از کربوکسیله شدن یک مولکول ریبولوز- 5،1 – دی فسفات با یک مولکول دی اکسید کربن، دو مولکول اسید 3- فسفوگلیسریک به وجود می آید ،(2) بخشی که طی آن دو مولکول اسید3- فسفو گلیسریک با کمک دو مولکول ATP و دو مولکولNADPH2 ، تولید دو مولکول قند سه کربنی فسفاته یا تریوز فسفات می کند.
قندهای سه کربنی فسفاته اخیر به دو شکل گلسیر آلدهید- 3- فسفات و دی هیدروکسی استن فسفات یافت می شود، (3) بخشی که در آن از یک طرف مراحل مربوط به بازسازی پذیرنده Co2 یعنی ریبولوز- 5،1 – دی فسفات انجام و از طرف دیگر هگزوز فسفات تشکیل می شود.
احیای اسید 3- فسفوگلیسریک به دنبال کربوکسیله شدن ریبولوز- 5،1 – دی فسفات در جریان فتوسنتز، این ماده احیا می شود.
عوامل احیا کننده مورد نیاز در جریان واکنشهای فتوشیمیایی فتوسنتز تامین می شوند.
همان طوری که در بخشهای قبلی توضیح داده شد ، NADPH2 تولید شده در جریان واکنش هیل به تنهایی قدرت احیایی کافی برای احیای یک گروه کربو کسیل به یک جریان واکنش هیل به تنهایی قدرت احیایی کافی برای احیای یک گروه کربو کسیل به یک گروه کربنی را ندارد.
به این سبب عامل کمکی دیگری نیز لازم است تا همراه با NADPH2 بتواند فرایند احیایی مذکور را عملی سازد .
این عامل کمکی ATP است.
کالوین و همکارانش اظهار داشتند که اسید 3- فسفو گلیسریک (PGA )تولید شده در مرحله بعدی فسفریله می شود و اسید دی فسفرگلیسریک را به وجود می آورد.
اسید دی فسفو گلیسریک به علت اتصال یکی از بنیانها(P ) به گروه کربوکسیل از ترکیبات فسفاته پر انرژی است .
آنزیم مسئول در واکنش اخیر نوعی کیناز است.
اسید دی فسفو گلیسریک می تواند به وسیله NADPH2 یک مولکول قند سه کربنی تریوز فسفات تولید کند.
فسفات متصل به عامل کربوکسیل اسید دی فسفو گلیسریک نیز در جریان این عمل آزاد می شود.
آنزیم مسئول در کاتالیز این واکنش تریوز فسفات دهیدروژناز است .در واکنش تبدیل اسید فسفو گلیسریک یک از انرژی ATP استفاده می شود در حالی که در تبدیل اسید دی فسفو گلیسریک به آلدهید-3- فسفات، انرژی مورد نیاز توسط NADPH2 تامین می شود.
پژوهشهای انجام شده صحت اظهار نظر کالوین و همکارانش را درباره فرایند های فوق به اثبات رسانید.
به این ترتیب که با قطع نور، غلظت اسید فسفو گلیسریک به طور زودگذر افزایش می یابد که همراه با کاهش غلظت ریبو لوزدی فسفات است.
زیرا پس از قطع نور واکنش کربوکسیله شدن ریبولوزدی فسفات و تبدیل آن به اسید فسفو گلیسریک برای چند لحظه در تاریی ادامه می یابد ،درحالی که واکنشهای مربوط به تبدیل اسید فسفو گلسیریک به اسید دی فسفو گلیسریک و نیز تبدیل این ماده به تریوز فسفات به سبب قطع تولید ATP و NADPH2 متوقف می شود.
همان طوری که می دانیم ATP در جریان واکنش فسفریله شدن نوری و NADPH2 در جریان واکنش هیل به وجود می آید .
هر دو واکنش از واکنشهای فتوشیمیایی هستند و انجام آنها مستقیما به حضور نور در محیط فتوسنتزی بستگی دارد.
بنابراین روشن می شود که با وجود آنکه احیای اسید فسفو گلیسریک به تریوز فسفات ظاهرا وابسته به نور است ولی جزء واکنشهای نوری نیست ، بلکه از واکنشهای تاریکی به شمار می آید زیرا انجام این واکنش احیایی نور دخالت مستقیم ندارد .دخالت نور در این واکنش غیر ستقیم و از طریق NADPH2 و ATP است.
اگر پس از قطع نور، به محیط فتوسنتزی ATP و NADPH2 و کوفاکتورهای مورد نیاز افزوده شود ،اسید فسفو گلیسریک موجود قادر است به سطح تریوز فسفات احیا شود .
همان طوری که قبلا اشاره شد، 6/1 تریوز فسفاتی که در نتیجه احیای اسید فسفو گلیسریک تشکیل می شود پس از طی یک سلسله واکنشهای زیست شیمیایی به قند 6 کربنی یا هگزوز تبدیل می شود که فراورده نهایی چرخه احیایی پنتوز فسفات است.
6/5 بقیه نیز صرف بازسازی ریبولوز- 1 و5 – دی فسفات می شود که پذیرنده دی اکسید کربن فتوسنتزی است.
راه احیایی پنتوز فسفات در هر چرخش خود یک مولکول دی اکسید کربن و معادل 4 اتم هیدروژن مصرف می کند و در ازای آن یک ششم مولکول قند 6 کربنی را تولید می کند.
بنابراین را احیای پنتوز فسفات فتوسنتزی در نتیجه شش دور گردش متوالی می تواند یک مولکول قند6 کربنی هگزوز به وجود آورد.
تغییر شکل کربو هیدراتها در چرخه کالوین اشاره شد که تریوز C3H6O3 (گلیسرآلدهید) یک کربو هیدرات است و فرمول آن طبق فرمولف کلی قندها به صورت 3 (CH2O ) معرفی می شود.
تبدیل گلیسر آلدهید که یک قند سه کربنی است به سایر کربو هیدراتها، مانند هگزوزها (گلوکز یا فروکتوز) یا تبدیل آن به کربو هیدراتهای 5 کربنی یا پنتوز نظیر ریبولوز ،طی فرایندهای آنزیمی و بدون نیاز به انرژی اضافی میسر است.
بررسیهای مختلف نشان داده اند که برای تبدیل ریبولوزمونو فسفات به ریبولوزدی فسفات یک مولکول ATP مورد نیاز است .با استفاده از C فرایند تبدیل گلیسرآلدهید فسفات به قندهای شش کربنی فسفاته در فتوسنتز مورد بررسی قرار گرفته است .همان طوری که در واکنش زیر مشاهده می شود اولین مرحله در این فرایند ایزومریزه شدن گلیسر آلدهید فسفات توسط آنزیم تریوز فسفات ایزومراز و تبدیل آن به دی هیدروکسی استون فسفات (DHAP ) است.
ماده اخیر قند سه کربنی فسفاته ای است که به جای عامل آلدهیدی(CHO) عامل ستونی(C=O ) دارد.
در حالت توازن مقدار گلیسرآلدهید موجود در محیط 60% و مقدار دی هیدروکسی استون موجود در محیط 40% است .یک مولکول گلیسرآلدهید-3- فسفات و دی هیدروکسی استون-3- فسفات تحت تاثیر آنزیم آلدولاز متراکم و به یک مولکول قند شش کربنی به نام فروکتوز- 6،1 – دی فسفات تبدیل می شوند.
فروکتوز دی فسفات تحت تاثیر آنزیم فسفاتاز یک گروه فسفات از دست می دهد و به فروکتوز-6- فسفات یا فروکتوز مونوفسفات تبدیل می شود.
بخشی از فروکتوز مونوفسفات تحت تاثیر آنزیم ایزومراز به گلوکز مونو فسفات(GMP ) تبدیل می شود.
هنگامی که در محیط فتوسنتزی گلوکز مونوفسفات و فروکتوز مونو فسفات وجود داشته باشند، کربو هیدراتهای بزرگتری نظیر ساکاروز و نشاسته نیز تشکیل می شوند.
بازسازی ریبولوز-5،1- دی فسفات همان طوری که اشاره شد 6/1 کربن تثبیت شده در جریان چرخه کالوین صرف تشکیل فراورده های آزاد فتوسنتزی و 6/5 بقیه صرف بازسازی ریبولوز-5،1 – دی فسفات (به مثابه پذیرنده Co2 فتوسنتزی) می شود.
قندهای پنج کربنی چرخه کالوین نتیجه واکنشهایی هستند که به واکنشهای ((انتقال گروههای دو کربنی)) موسوم اند.
در این فرایند گروههای دو کربنی از یک کربوهیدرات به کربوهیدرات دیگر انتقال می یابند.
تیامین (ویتامینB ) در انجام این عمل نقش اساسی دارد.
این عمل از دو راه صورت می گیرد: اول آنکه گروهی دو کربنی از یک قند شش کربنی جدا می شود که نتیجه این واکنش تولید یک مولکول قند 4کربنی یا اریتروز است.
سپس گروهی دو کربنی از یک قند 7 کربنی یا سدوهپتولوز جدا می شود که نتیجه آن تشکیل یک مولکول قند 5 کربنی است.
حال دو گروه دو کربنی موجود که متصل به مولکول تیامین هستند با دو مولکول قند سه کربنی ترکیب می شوند و دو مولکول قند 5 کربنی پذیرنده دی اکسید کربن فتوسنتزی.
همان طوری که در بخشهای فوق مشاهده شد، در مراحل مربوط به تشکیل قندهای 6 کربنی فسفاته، نظیر فروکتوز فسفات و گلوکزفسفات و بازسازی ریبولوزدی فسفات، تعدادی از کربوهیدراتهای موجود در چرخه پنتوز به یکدیگرتبدیل می شوند.
چنانکه در شکل 25 دیده می شود برای گردش یک مولکول Co2 در چرخه کالوین دو مولکول NADPH2 و سه مولکول ATP مورد نیاز است.
کلیه واکنشهای موجود در چرخه توسط آنزیمهای ویژه ای کاتا لیز می شوند که همه آنها از گیاه جدا و مورد شناسایی قرار گرفته اند.
با استفاده از عصاره گیاه سبز که محتوی آنزیمهای مربوط به چرخه احیای پنتوز فسفات، ریبولوز-5،1 – دی فسفات، ATP ، NADOH2 و دی اکسید کربن است می توان فرایند سنتز فروکتوز-6- فسفات را نشان داد.
انجام فرایند به حضور نور بستگی ندارد.
همان طوری که می دانیم فیوسنتز در گیاهان سبز از این رو به نور وابسته است که طی واکنش هیل وفسفریله شدن نوری به ترتیب NADPH2 و ATP مورد نیاز فتوسنتز در گیاهان سبز در حضور نور تشکیل می شود.
حال اگر در عصاره گیاهی مورد بررسی ،NADPH2 و ATP مورد نیاز را دراختیار عصاره گیاهی قرار دهیم نیاز به نور نیز مرتفع می شود.
چرخه احیای پنتوز فسفات در فتوسنتز مراحل مختلف این چرخه توسط آنزیمهای ویژه ای که در شکل 26 با شماره مشخص شده اند ، کاتالیز می شود.
ریبولوز-5،1- دی فسفات در حضور آنزیم ریبولوزدی فسفات کربوکسیلاز (1) با دی اکسید کربن کربوکسیله و به دو مولکول اسید3- فسفوگلیسریک تبدیل می شود.
در این مرحله، دو آنزیم، یکی اسید فسفوگلیسریک کیناز (2) به اضافه ATP و دیگری تریوزفسفات دهیدروژناز (3) به اضافه NADOH2 ،اسید فسفو گیسریک تشکیل شده را به گلسیرآلدهید-3- فسفات تبدیل می کنند.
آنزیم تریوز فسفات ایزومراز (4) تبدیل گلیسرآلدهید-3- فسفات و دی هیدروکسی استون-3- فسفات را به یکدیگر کاتالیز می کند.
در حضورآلدولاز (5)، گلیسریکآلدهید-3- فسفات و دی هیدروکسی استون-3 فسفات به فروکتوز-6،1 – دی فسفات تبدیل می شوند.
براثر فعالیت انزیم فسفاتاز (6) یک گروه فسفاته از فروکتوز-6،1 – دی فسفات جدا می شود که نتیجه ان تشکیل فروکتوز-6- فسفات است.
آنزیم ترانس کتولاز (7) دو اتم کربن فوقانی فروکتوز-6- فسفات را از زنجیره 6 کربنی آن جدا و به زنجیره سه کربنی گلیسرآلدهید-3- فسفات منتقل می کند.
نتیجه این واکنش تشکیل گزیلوز-5- فسفات است.
فراورده جنبی این واکنش تشکیل اریتروز-4- فسفات است.
اریتروز-4- فسفات تشکیل شده با دی هیدروکسی استون-3- فسفات، درحضور آلدولاز (8) با یکدیگر ترکیب می شوند و سدوهپتولوز-7،1 – دی فسفات را به وجود می آورند.
در اثر فعالیت فسفاتاز (9) یک گروه فسفات از سدوهپتولوز-7،1- دی فسفات جدا می شود و آن را به سدوهپتولوز-7- فسفات تبدیل می کند.
در واکنشی شبیه به آنچه برای واکنش (7) گفته شد، بر اثر فعالیت آنزیم ترانس کتولاز (10) دو کربن فوقانی زنجیره 7 کربنی سدوهپتولوز-7- فسفات، از آن جدا و به انتهای زنجیره سه کربنی گلیسر آلدهید-3-فسفات متصل می شود و آن را به گزیلوز-5- فسفات تبدیل می کند.
زنجیره 5 کربنی باقی مانده از تجزیه سدو هپتولوز-7- فسفات نیز به ریبوز-5-فسفات تبدیل می شود.
آنزیم اپی مراز (11) گزیلوز-5- فسفات را به ریبولوز-5- فسفات تبدیل می کند.
ریبولوز-5- فسفات نیز در نتیجه فعالیت آنزیم پنتوز- فسفات ایزومراز (12) به ریبولوز-5- فسفات تبدیل می شود.
سرانجام، ریبولوز –5- فسفات تولید شده براثر فعالیت آنزیم فسفوریبولوکیناز (13) و ATP به ریبولوز-5،1- دی فسفات، یعنی پیرنده دی اکسید کربن فتوسنتزی تبدیل می شود.
وان نیل اظهار داشت که نقش نور در فتوسنتز عبارت از تشکیل عوامل احیا کننده مورد نیاز برای احیای دی اکسید کربن جذب شده از جو است.
کالوین و همکارانش نیز با انجام یک سلسله آزمایشها با استفاده از C این قش را در مورد نور تایید کردند.
گروه کالوین ابتدا دسته ای از گیاهان را در نور و جو حاوی Co2 معمولی رویانیدند.
سپس در زمانی معین، تابش نور را قطع کردند و بلافاصله گیاهان را در معرض Co2 قرار دادند.
آنها مشاهده کردند که فرایند احیای دی اکسید کربن ، تشکیل اسید فسفو گلیسریک ، تشکیل قندهای 6 کربنی و 5 کربنی فسفاته و سایر مراحل شیمیایی نظیر همان فرایندی است که در نود انجام می شود.
نتایج به دست آمده این نکته را تایید می کند که در نور روندی پایدار از تشکیل عوامل احیا کننده در گیاه وجود دارد که با قطع نور این عوامل احیا کننده به انجام کوتاه مدت احیای دی اکسید کربن قادرند.
این نتایج در عین حال پیشنهاد بلاکمن را مبنی بر اینکه فتوسنتز از دو سری واکنش یکیث واکنشهای تاریکی و دیگری واکنشهای نوری تشکیل شده است، تایید می کند .با آنکه قسمت اعظم پژوهشهای انجام شده درباره را احیایی پنتوز فسفات در فتوسنتز بر روی جلیکهای سبز تک یاخته ای نظیر کلورلا انجام شد ولی آزمایشهای انجام شده در گیاهان عالی نظیر گندم، برنج، چغندرقند، اسفناج، لوبیا و تنباکو نشان می دهند که جزئیات امر با آنچه در گیاهان سبز تک یاخته ای رخ می دهد، مشابه است.
برای بررسی جزئیات تثبیت دی اکسید کربن در چرخه کالوین از دو روش استفاده می شود.
در روش اول گیاه در نور و در معرض Co2 قرار می گیرد و روند تثبیت دی اکسید کربن در زمانهای مختلف سنجیده می شود .به این، ترتیب فراورده های فتوسنتزی، ترتیب آنها، فراورده های پیشاهنگ و سایر جزئیات مربوط به چرخه کالوین را می توان بررسی و میسر متابولیسمی کربن را د این چرخه تعقیب و مشخص کرد.
روش دوم تشخیص آنزیمهای مربوطه و بررسی درجه اهمیت آنها نسبت به یکدیگر است.
از میان آنزیمهای بررسی شده آنزیم ریبولوز-5،1- دی فسفات کربوکسیلاز از اهمیت ویژه ای برخوردار است ، زیرا این آنزیم کاتالیز واکنش کربوکسیله شدن ریبولوز-5،1- دی فسفات را با دی اکسید کربن به عهده دارد که نتیجه آن تشکیل اسید فسفوگلیسریک است.
ریبولوز دی فسفات کربوکسیلاز در بخش محلول پروتئین برگهای گیاهان یافت می شود.
وجود ریبولوزدی فسفات کربوکسیلاز در گیاه معرف وجود چرخه کالوین در آن گیاه است.
از بخش محلول پروتئین محتوی ریبولوزدی فسفات کربوکسیلاز می توان جهت بررسی شدت تثبیت دی اکسید کربن در گیاه فتوسنتز کننده و نیز تفاوت گونه های مختلف گیاهی در تثبیت دی اکسید کربن جو استفاده کرد.
همان طوری که اشاره شد 6/1 کربن تثبیت شده در فتوسنتز از چرخه خارج می شود و کربوهیدراتهای ذخیره ای گیاه را تولید می کند.
نشاسته و ساکاروز از اشکال عمده کربوهیدراتهای ذخیره ای موجود در برگهای سبز گیاهان اند.
در برخی از گونه های گیاهی نشاسته تا 40% وزن خشک برگهای سبز را تشکیل می دهد.