カルビン回路

葉緑体の内部構造

光合成のカルビン回路、光非依存性反応、生合成相、暗反応、または光合成炭素還元（PCR）サイクル^{[ 1 ]}は、二酸化炭素と水素キャリア化合物をグルコースに変換する一連の化学反応です。カルビン回路は、すべての光合成真核生物と多くの光合成細菌に存在します。植物では、これらの反応は、チラコイド膜の外側にある葉緑体の液体で満たされた領域であるストロマで起こります。これらの反応は、光依存性反応の生成物（ATPとNADPH）を受け取り、それらに対してさらに化学プロセスを実行します。カルビン回路は、光依存性反応からのATPの化学エネルギーとNADPHの還元力を使用して、植物が使用する糖を生成します。これらの基質は、段階的なプロセスで糖を生成する一連の酸化還元（レドックス）反応で使用されます。複数のCO2分子_を糖に直接変換する反応はありません。光に依存しない反応には、総称してカルビン回路と呼ばれる3つの段階がある。それは、カルボキシル化、還元反応、そしてリブロース1,5-ビスリン酸（RuBP）の再生である。

カルビン回路は「暗反応」とも呼ばれますが、暗闇や夜間には起こりません。これは、このプロセスにはNADPHが必要であり、NADPHは寿命が短く、光依存性反応から生成されるためです。暗闇では、植物は代わりにデンプン貯蔵からスクロースを師管に放出して、植物にエネルギーを供給します。したがって、カルビン回路は光が利用可能なときに、光合成の種類（C3炭素固定、C4炭素固定、およびベンケイソウ型酸代謝（CAM） ）に関係なく起こります。CAM植物は毎晩液胞にリンゴ酸を蓄え、日中に放出してこのプロセスを機能させます。^{[ 2 ]}

カルビン回路の反応はチラコイド電子伝達系と密接に結合しており、^{[ 3 ]}二酸化炭素を還元するために必要なエネルギーは光依存性反応中に生成されるNADPHによって供給される。C2サイクルとしても知られる光呼吸のプロセスもカルビン回路と結合しており、これはRuBisCO酵素の代替反応の結果であり、その最終副産物は別のグリセルアルデヒド-3-リン酸分子である。

カルビン回路、カルビン・ベンソン・バシャム（CBB）回路、還元型ペントースリン酸回路（RPP回路）、またはC3回路は、光合成生物の葉緑体のストロマで起こる一連の生化学的酸化還元反応である。この回路は、1950年にカリフォルニア大学バークレー校のメルビン・カルビン、ジェームズ・バシャム、アンドリュー・ベンソンによって放射性同位体炭素14を用いて発見された。^{[ 4 ]}

光合成は細胞内で 2 段階で起こります。最初の段階では、光依存性反応が光のエネルギーを捕捉し、それを使ってエネルギー貯蔵分子ATPと中程度のエネルギーの水素キャリアNADPHを生成します。カルビン回路はこれらの化合物を使って二酸化炭素と水を有機化合物^{[ 5 ]}に変換し、生物 (およびそれを食べる動物) が利用できるようにします。この一連の反応は炭素固定とも呼ばれます。この回路のキー酵素はRuBisCOと呼ばれます。次の生化学式では、化学種 (リン酸とカルボン酸) はpHによって制御されるさまざまなイオン化状態の間で平衡状態にあります。

カルビン回路の酵素は、 糖新生やペントースリン酸経路などの他の代謝経路で使用されるほとんどの酵素と機能的に同等ですが、カルビン回路の酵素は細胞質ではなく葉緑体ストロマに存在するため、反応が分離されています。これらの酵素は光によって活性化され（そのため「暗反応」という名称は誤解を招きます）、光依存性反応の副産物によっても活性化されます。これらの調節機能により、カルビン回路が二酸化炭素に分解されるのを防ぎます。正味の生産性がない反応を実行すると、エネルギー（ATPの形で）が無駄になります。

カルビン回路における反応の総和は以下のとおりです。

3 CO₂ + 6NADPH+ 9ATP+ 6 H⁺→グリセルアルデヒド-3-リン酸(G3P) + 6NADP⁺+ 9ADP+ 3 H₂O + 8 Pi₍ P_i= 無機リン酸)  

六炭糖はカルビン回路の産物ではない。多くの文献では光合成の産物としてC6糖が挙げられているが、₆時間₁₂ O₆これは主に、ミトコンドリアで6炭糖が酸化される好気呼吸の式に合わせるための便宜上のものです。カルビン回路の炭水化物生成物は、3炭糖リン酸分子、つまり「トリオースリン酸」、すなわちグリセルアルデヒド-3-リン酸（G3P）です。

手順

カルビン回路の最初の段階では、CO₂分子_が2つの3炭素分子（グリセルアルデヒド-3-リン酸、G3P）のいずれかに組み込まれ、光依存段階で生成された2分子のATPと2分子のNADPHが消費されます。この過程には以下の3つのステップが含まれます。

1. 酵素RuBisCOは、5炭素化合物であるリブロース-1,5-ビスリン酸（RuBP）を二酸化炭素（合計6炭素）でカルボキシル化する反応を2段階で触媒する。 ^{[ 6 ]}第一段階の生成物はCOを捕捉できるエネジオール-酵素複合体である。₂またはO_2．したがって、エネジオール酵素複合体が真のカルボキシラーゼ／オキシゲナーゼである。CO₂は、第 2 段階でエネジオールによって捕捉され、不安定な 6 炭素化合物である 2-カルボキシ 3-ケト 1,5-ビスホスホリボトール (CKABP ^{[ 7 ]} ) (または 3-ケト-2-カルボキシアラビニトール 1,5-ビスリン酸) を生成し、これが直ちに 2 分子の3-ホスホグリセリン酸(3-ホスホグリセリン酸、PGA、3PGA、または 3-PGA とも表記) に分解され、3 炭素化合物となる。 ^{[ 8 ]}
2. 酵素ホスホグリセリン酸キナーゼは、ATP（光依存段階で生成されたもの）による3-PGAのリン酸化を触媒する。生成物は1,3-ビスホスホグリセリン酸（グリセリン酸-1,3-ビスリン酸）とADPである。（ただし、 CO2 1分子あたり2分子の3-PGAが生成されることに注意してください。）₂がサイクルに入るので、このステップではCO 1分子あたりATP_2点修正済み。）
3. グリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲナーゼという酵素は、 NADPH（光依存性段階のもう一つの生成物）による1,3BPGAの還元を触媒する。グリセルアルデヒド-3-リン酸（G3P、GP、TP、PGAL、GAPとも呼ばれる）が生成され、NADPH自体は酸化されてNADP ⁺となる。ここでも、 CO2 1分子あたり2分子のNADPHが消費される。_2つ固定されています。

カルビン回路の次の段階は、RuBPの再生です。5分子のG3Pが3分子のRuBPを生成し、3分子のATPを消費します。CO2分子1つにつき2分子のG3Pが生成されるため、₃分子のCO2からは6分子のG3Pが生成され、そのうち5分子がRuBPの再生に使用されます。したがって、₃分子のCO2_につき1分子のG3Pが正味で得られます（これは、関与する炭素原子の数から予想される値です）。

再生段階は、一連のステップに分解することができる。

1. トリオースリン酸イソメラーゼは、 G3Pの1つを可逆的にジヒドロキシアセトンリン酸（DHAP）に変換する。DHAPもまた3炭素分子である。
2. アルドラーゼとフルクトース-1,6-ビスホスファターゼは、G3PとDHAPをフルクトース-6-リン酸（6C）に変換する。この過程でリン酸イオンが溶液中に失われる。
3. 次に別のCO2を固定する_2はさらに2つのG3Pを生成する。
4. F6Pはトランスケトラーゼによって2つの炭素が除去され、エリスロース-4-リン酸（E4P）となる。トランスケトラーゼによって除去された2つの炭素はG3Pに付加され、ケトースであるキシロース-5-リン酸（Xu5P）となる。
5. E4PとDHAP（2番目のCOからのG3Pの1つから形成される）₂固定）は、セドヘプツロース-1,7-ビスリン酸（7C）に変換されます。
6. セドヘプツロース-1,7-ビスホスファターゼ（カルビン回路の酵素のうち、植物に特有の3つの酵素のうちの1つ）は、セドヘプツロース-1,7-ビスリン酸をセドヘプツロース-7-リン酸に分解し、無機リン酸イオンを溶液中に放出する。
7. 3番目のCOの固定_2ではさらに2つのG3Pが生成される。ケトースS7Pはトランスケトラーゼ、リボース-5-リン酸トランスケトラーゼに残った2つの炭素はCOの固定生成物として1つのG3Pが残る。_{2 では}、Ru5Pに変換可能な3つのペントースが生成されます。
8. R5Pはホスホペントースイソメラーゼによってリブロース-5-リン酸（Ru5P、RuP）に変換される。Xu5PはホスホペントースエピメラーゼによってRuPに変換される。
9. 最後に、ホスホリブロキナーゼ（この経路における植物特有の酵素）がRuPをリン酸化してRuBP（リブロース-1,5-ビスリン酸）を生成し、カルビン回路が完了する。この反応にはATPが1分子必要となる。

したがって、生成された6つのG3Pのうち、5つは3つのRuBP（5C）分子（合計15炭素）の生成に使用され、1つのG3Pのみがその後のヘキソースへの変換に利用可能となる。これには、3つのCO2あたり9分子のATPと6分子のNADPHが必要となる。₂分子。カルビン回路全体の式を以下の図に示します。

RuBisCOはOとも競合的に反応するCOの代わりに_22.光呼吸。光呼吸の速度は高温で高くなります。光呼吸はRuBPを3-PGAと2-ホスホグリコール酸に変換します。2-ホスホグリコール酸は2炭素分子で、グリコール酸とグリオキシル酸を経てグリシンに変換されます。グリシン開裂系とテトラヒドロ葉酸を介して、2つのグリシンがセリンとCO_2.セリンは3-ホスホグリセリン酸に変換できます。したがって、2つのホスホグリコール酸の4つの炭素のうち3つだけが3-PGAに変換できます。光呼吸はCO2を固定するのではなく、植物にとって非常に悪い結果をもたらすことがわかります。₂、このプロセスはCO_2. C4炭素固定は光呼吸を回避するために進化しましたが、非常に温暖な気候または熱帯気候に自生する特定の植物（例えばトウモロコシ）でのみ起こります。さらに、光合成の光非依存性反応を触媒するRuBisCOは、酸素化反応を最小限に抑えるために、一般的にO2に対するCO2の特異性が向上しています。_この特異_性の向上は、RuBisCOが新しいタンパク質サブユニットを取り込んだ後に進化しました。 ^{[ 9 ]}

これらの反応は暗闇や夜間には起こらない。サイクル酵素には光依存的な調節があり、第3段階ではNADPHが必要となる。^{[ 11 ]}

サイクルをオンまたはオフにする必要があるときには、2 つの制御システムが働いています。1つはサイクル酵素の一部を活性化するチオレドキシン/フェレドキシン活性化システム、もう 1 つはカルビン回路で活性化するRuBisCo酵素活性化システムで、独自の活性化酵素が関与しています。^{[ 12 ]}

チオレドキシン/フェレドキシン系は、このプロセスの重要なポイントであるグリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲナーゼ、グリセルアルデヒド-3-リン酸ホスファターゼ、フルクトース-1,6-ビスホスファターゼ、セドヘプツロース-1,7-ビスホスファターゼ、およびリブロース-5-ホスファターゼキナーゼの酵素を活性化します。これは、光が利用可能なときに起こります。チラコイド電子鎖の光化学系I複合体で電子が循環しているときに、フェレドキシンタンパク質が還元されるためです。 ^{[ 13 ]}フェレドキシンはチオレドキシンタンパク質に結合して還元し、これらの酵素すべてに存在するシスチン結合を切断することによってサイクル酵素を活性化します。これは動的なプロセスであり、同じ結合が他のタンパク質によって再び形成され、酵素を不活性化します。この過程が意味するところは、酵素は日中はほぼ活性化された状態を保ち、還元型フェレドキシンがなくなる暗所では不活性化されるということである。

酵素RuBisCoは、独自のより複雑な活性化プロセスを持っています。この酵素を活性化するには、特定のリジンアミノ酸がカルバミル化される必要があります。このリジンはRuBPに結合し、カルバミル化されないと機能しない状態になります。RuBisCoアクチバーゼと呼ばれる特定の活性化酵素は、リジンからプロトンを1つ除去し、二酸化炭素分子の結合を可能にすることで、このカルバミル化プロセスを助けます。それでもなお、RuBisCo酵素は、リジンに結合したマグネシウムイオンを必要とするため、まだ機能していません。このマグネシウムイオンは、電子の流れからプロトンが能動的にポンプ輸送されることで内部pHが低下すると、チラコイドルーメンから放出されます。RuBisCoアクチバーゼ自体は、そのリン酸化によってストロマ内のATP濃度が上昇することで活性化されます。^{[ 14 ]}

• ウッド・リュングダール経路– 一部の細菌が利用する一連の生化学反応 

• Bassham JA (2003). "炭素還元サイクルのマッピング：個人的な回顧". Photosynth. Res . 76 ( 1–3 ): 35–52 . Bibcode : 2003PhoRe..76...35B . doi : 10.1023/A:1024929725022 . PMID 16228564. S2CID 52854452 .  
• Diwan, Joyce J. (2005). 「光合成暗反応」 . レンセラー工科大学 生化学・生物物理学。2005年3月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年10月24日閲覧。
• Portis, Archie; Parry, Martin (2007). "Rubisco (リブロース 1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ) の発見: 歴史的展望" (PDF) . Photosynthesis Research . 94 (1): 121– 143. Bibcode : 2007PhoRe..94..121P . doi : 10.1007/s11120-007-9225-6 . PMID 17665149 . S2CID 39767233 . 2012年3月12日にオリジナル(PDF)からアーカイブ済み。  

• Rubisco Activase、Plant Physiology Onlineウェブサイトより（Wayback Machineに2009年2月18日にアーカイブ済み）
• チオレドキシン、Plant Physiology Online ウェブサイトより、Wayback Machineに 2008 年 6 月 16 日にアーカイブ済み

• レンセラー工科大学におけるカルビン回路の生化学
• ジェレミー・M・バーグ、ジョン・L・ティモツコ、ルーバート・ストライヤー著『生化学第5版』より、カルビン回路とペントースリン酸経路。WHフリーマン社刊（2002年）。