卡尔文循环

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第1002页（4033字）

光合作用的光反应结果生成ATP和NADPH+H⁺，植物利用这些物质的能量，才能将CO₂还原成为碳水化合物。

CO₂被还原成糖的过程是在叶绿体的间质中进行的。1946年，卡尔文(Calvin)等用¹⁴CO₂示踪方法开始这方面的研究工作，并于1954年提出CO₂被固定和还原过程的骨架。为此，卡尔文获得1961年诺贝尔奖金，并把这一过程称为卡尔文循环，或称还原的磷酸戊糖途径、光合环和C3－途径。

在卡尔文循环中关键反应是在核酮糖1，5－二磷酸羧化酶－加氧酶(Rubisco)催化下CO₂和核酮糖1，5－二磷酸(RuBP)反应生成2分子的3－磷酸甘油酸(3－PGA)，这个反应是一复杂过程，当烯醇式的RuBP与CO₂反应后，首先形成2－羧基－3－酮基核糖醇1，5－二磷酸；然后再水解成2分子的3－PGA。

这里的Rubisco需要Mg²⁺和CO₂形成酶－CO₂－Mg²⁺复合物而被活化，但这个CO₂不是被固定的CO₂。Rubisco还有另一催化活性，即它也能使RuBP与O₂结合生成1分子3－PGA和1分子磷酸乙醇酸，后者是光呼吸的底物。在绿色植物中Rubisco还有它特有的活化酶和抑制剂。此酶是由8个大亚基和8个小亚基组成的全酶，催化部位是在大亚基上，由此它可有8分子的CO₂同时被固定。

O₂是Rubisco羧化反应的竞争性抑制剂。

利用ATP在磷酸甘油酸激酶的作用下使3－PGA磷酸化产生1，3－二磷酸甘油酸，它再通过甘油醛3－磷酸脱氢酶的作用利用NADPH+H+还原成3－磷酸甘油醛(3－GAP)，这两个反应中释放的ADP和NADP⁺可由光反应再生成ATP和NADPH+H⁺。

在卡尔文循环中3－GAP有4种方式被利用，分别是：(1)由磷酸三碳糖异构酶作用异构化生成磷酸二羟丙酮(DHAP)，DHAP可自叶绿体中输出进入细胞质，用于糖酵解或蔗糖合成；(2)由醛缩酶作用，3－GAP与DHAP形成果糖1，6－二磷酸(FBP)，FBP再通过果糖双磷酸酯酶的作用脱去磷酸产生果糖6－磷酸(F6P)；(3)在转酮基酶催化下，F6P与3－GAP反应，生成等量的木酮糖－5－磷酸(Xu5P)和赤藓糖－4－磷酸(E4P)，在醛缩酶的作用下，E4P再与DHAP反应，形成景天庚酮糖1，7－二磷酸(SuBP)，SuBP通过景天庚酮糖双磷酸酯酶作用脱去磷酸，产生景天庚酮糖－7－磷酸(Su7P)；(4)在转酮基酶催化下，Su7P与3－GAP反应，生成Xu5P和核糖－5－磷酸(R5P)。Xu5P在差向异构酶作用下异构化，生成核酮糖－5－磷酸(Ru5P)，R5P也可在异构酶作用下形成Ru5P。

最后，在ATP和磷酸核酮糖激酶存在下，Ru5P磷酸化产生RuBP，RuBP又可再进行羧化反应，形成循环反应过程。

从定量关系看，如果通过这一循环产生1分子六碳糖(C₆H₁₂O₆)，则需要6分子的CO₂，而6分子CO₂被固定又需要与6分子的RuBP作用，产生12分子的3－PGA，它的磷酸化和被还原成三碳糖(3－GAP)，需要12分子ATP和12分子NADPH+H⁺。12个3－GAP中的5个转变成5分子的DHAP，其中3分子DHAP与3分子3－GAP缩合成3分子F6P，如果其中1分子F69将转移出去用于形成淀粉，则还剩下2分子F6P、4分子3－GAP和2分子DHAP(共有30个碳原子)，它们正好可生成6分子Ru5P，这6分子Ru5P磷酸化还需要6分子ATP，最后产生6分子RuBP。这样，循环可继续下去。

因此，6分子CO₂在这一循环过程中需要12分子NADPH+H⁺、18分子ATP和11分子的水，形成1分子F6P、12分子NADP⁺、18分子ADP和17分子的无机磷酸(Pi)。即每固定1分子CO₂需要2分子NADPH+H⁺和3分子ATP。

6CO₂+12NADPH+12H⁺+18ATP+11H₂0→F6P+12NADP⁺+18ADP+17Pi

自Calvin等提出碳素还原环后，Norris等用兰藻、甲藻、绿藻、轮藻、黄藻、红藻、苔藓、蕨类和种子植物等9门27种植物进行研究，结果证明这一循环是植物界普遍存在的共同现象。在这一循环中其运转速度受许多因素的调节，它们是：(1)ADP和NADP⁺的反馈调节。

在全日光照下光合作用速度受Calvin循环反应速度的限制，而不受电子传递和光合磷酸化速度的限制，这是因为NADPH+H⁺和ATP受到使用速度的限制，而不受形成速度的限制，光反应的速度是快的。只有NADP⁺和ADP再产生后，它才能迅速地被光反应还原和磷酸化，从而Calvin循环中的这两种产物反馈调节Calvin循环的运转速度。

在叶绿体中每毫克叶绿素约含有10～20ng分子NADPH+H⁺+NADP⁺和40～60ng分子ADP+ATP，它们每秒钟约相互转换2～3次。(2)无机磷酸的调节。

每3分子的CO₂被固定，就要有1分子Pi进入磷酸三碳糖(TP)。如果叶绿体外Pi增加，则TP将从叶绿体中输出，每1分子TP输出就会有1分子Pi进入叶绿体。

TP输出增加，从而不再生Calvin循环中的RuBP，CO₂固定的速度变低，当细胞质Pi浓度过高时，则TP全部输出，CO₂同化甚至可以停止；如细胞质和叶绿体Pi浓度低时，则叶绿体中的ADP－葡萄糖焦磷酸化酶活化，有利于淀粉的合成。

(3)质量作用的调节。光合环中3－PGA还原成GAP是分两步进行的，第一步先形成1，3－二磷酸甘油酸，第二步再形成GAP，这两步反应合在一起，是一个可逆系统。糖酵解中发生的就是上述反应的逆反应。

控制着这一反应方向的是ATP的浓度或ATP的供应。当ATP供应充足时，反应依光合环的方向进行；ATP供应不足时，即ADP大量存在时，则反应依逆反应进行，影响光合环的运转。(4)酶合成的调节。

Calvin环的反应是生物化学反应，是酶促反应，许多因素影响着酶合成的量，如Rubisco小亚基的合成受光调节。

因此，酶的合成受基因表达的各种因素影响。(5)酶活性的调节。

光对光合环中酶活性有重要的调节作用，它可分为直接的和间接的调节。间接的是指光通过光合作用的反应而造成叶绿体间质中一种利于酶起催化作用的条件，例如使其中的H⁺浓度下降，Mg²⁺浓度增大，变构酶效应剂的形成等等。当光反应进行时光合膜中的电子传递引起质子自间质、向类囊体腔内运转，同时发生Mg²⁺自类囊体向间质中运转，其结果是间质中H+浓度10^－7mol／L左右减至10^－8mol／L，Mg²⁺浓度也增高，受到H⁺浓度和Mg²⁺影响最明显的是果糖双磷酸酯酶和景天庚酮糖双磷酸酯酶活性增强。

所以，在光下这两种酶的活性强，而在暗中则无活性，防止无效循环。光直接的调节作用是指光通过某种机理而直接使某种特定的酶活化或钝化。现在对光使光合环中酶活化的机理有两种观点，一种是Buchanan提出的硫氧还蛋白(Td)为中介，另一种是Anderson提出的光效应中介体(LEM)。

Buchanan发现高等植物的叶绿体中有一个铁氧还蛋白／硫氧还蛋白体系，起着对某些酶的光调节作用。这一体系包括硫氧还蛋白(Td)、铁氧还蛋白(Fd)和铁氧还蛋白－硫氧还蛋白还原酶(FTR)。还原型Td能把靶酶活化，还原型Td的形成，是由于氧化型Fd在光合作用光反应中被还原后，在Fd-Td还原酶的作用下，使Td还原。

现在公认的Td能活化的酶有Calvin环中的果糖双磷酸酯酶、景天庚酮糖双磷酸酯酶、磷酸核酮糖激酶和NADP－磷酸甘油醛脱氢酶。此外，Rubisco也已知受到光的活化。

Anderson发现在类囊体膜上有一种蛋白，它能对酶起调节作用，Anderson名之为光效应中介体(LEM)。

此外，她还从叶绿体中分离出一种可溶蛋白，称之为谐调酶(moduiase)。LEM首先被还原的Fd还原，还原的LEM再使谐调酶还原，最后再还原靶酶。

Buchanan和Anderson的两种模型相同之处是：(1)最初的还原剂是Fd；(2)都使靶酶的二硫键还原成巯基。

他们的模型不同之处是：Buchanan认为中介的还原剂是可溶蛋白，且在光下增加靶酶的巯基数而被活化；而Anderson认为中介的还原剂是膜蛋白，在光下只是改变了靶酶中的巯基位置而被活化，靶酶的巯基数没有增加。

。【参考文献】：

1 Kelly GJ,et al. Ann Rev Plant Physiol, 1976,27:181 ～ 205

2 Buchanan B B. Ann,Rer,Plant Physiol. 1980,31:341 ～ 374

3 Woodrow I E,et al. Ann Rev Plant physiol. Plawt Mol. Bi-ol. 1988,39: 533～594

4 Salvucci M E,Physiol Peant. 1989,77:164 ～ 171

5 Keegstra K. Cell,1989,56:2447～253

(北京大学吴光耀教授撰)