Pengertian Siklus Calvin, Fungsi, Tahapan dan produk

Siklus Calvin adalah nama yang diberikan untuk serangkaian reaksi kimia yang terjadi pada stroma kloroplas. Rute penting ini ditemukan oleh Melvin Calvin, yang memenangkan Hadiah Nobel pada tahun 1961 untuk penemuannya. Reaksi kimia yang membentuk siklus Calvin terjadi pada tahap fiksasi karbon, salah satu fase fotosintesis. Dalam siklus Calvin ini, CO2 direduksi menjadi gliseraldehida 3-fosfat dan ribulosa 1,5 bifosfat, akseptor CO2, diregenerasi.

Pengertian

Siklus Calvin (juga dikenal sebagai siklus Calvin-Benson atau siklus fiksasi karbon fotosintesis) terdiri dari serangkaian proses biokimia yang berlangsung dalam stroma kloroplas organisme fotosintesis.

Reaksi dari siklus Calvin termasuk dalam fase cahaya yang disebut terang, yang bertanggung jawab untuk memperbaiki CO2, memasukkannya ke dalam bahan organik individu dalam bentuk glukosa menggunakan enzim RuBisCo. Perlu dicatat bahwa rangkaian reaksi ini secara keliru disebut fase gelap, karena banyak enzim dalam proses, termasuk RuBisCo, bergantung pada aktivasi sistem ferredoxin-thioredoxin, yang hanya dalam bentuk aktifnya (bentuk tereduksi) di hadapan dari cahaya.

Siklus Calvin ditemukan oleh Melvin Calvin, James Bassham dan Andrew Benson dari University of California, Berkeley, menggunakan isotop radioaktif karbon-14.1. Calvin dianugerahi Hadiah Nobel Kimia pada tahun 1961 “untuk karyanya tentang asimilasi karbon dioksida oleh tumbuhan”.

Siklus Calvin adalah siklus reaksi kimia yang dilakukan oleh tanaman untuk “memperbaiki” karbon dari CO2 menjadi gula tiga karbon. Kemudian, tumbuhan dan hewan dapat mengubah senyawa tiga karbon ini menjadi asam amino, nukleotida, dan gula yang lebih kompleks seperti pati.

Proses “fiksasi karbon” ini adalah bagaimana bahan organik paling baru dibuat. Gula yang dibuat dalam siklus Calvin juga digunakan oleh tanaman untuk penyimpanan energi jangka panjang, tidak seperti ATP yang digunakan dengan cepat setelah dibuat. Gula ini juga bisa menjadi sumber energi bagi hewan yang memakan tanaman, dan pemangsa yang memakan herbivora tersebut.

Siklus Calvin juga kadang-kadang disebut sebagai reaksi “reaksi gelap” dari fotosintesis, karena tidak didukung langsung oleh foton dari Matahari. Sebaliknya, siklus Calvin didukung oleh ATP dan NADPH, yang diciptakan dengan memanfaatkan energi dari foton dalam reaksi yang bergantung pada cahaya.

Fungsi Siklus Calvin

Enam molekul CO2 digunakan untuk menghasilkan satu molekul glukosa. Dalam reaksi ini, masing-masing molekul CO2 terkait dengan molekul akseptor, ribulosa-1,5-bifosfat (RuBP), yang kemudian dibagi menjadi dua molekul 3-fosfogliserat, yang dikatalisis oleh enzim Rubisco (melalui proses karboksilasi tanpa ATP, menggunakan CO2 dan air sebagai substrat). Kemudian, ATP yang dihasilkan selama reaksi cahaya fotosintesis menghasilkan gugus fosfat pada molekul-molekul ini, sehingga menghasilkan 1,3-difosfogliserat; pada saat yang sama, NADPH mentransfer elektron ke molekul-molekul tiga karbon ini, sehingga menimbulkan gliseraldehida-3-fosfat. Bagian dari gliseraldehida-3-fosfat digunakan untuk membuat gula 6 karbon glukosa, di antara produk fotosintesis lainnya. Bagian lain dari gliseraldehida-3-fosfat digunakan bersama-sama dengan molekul ATP, untuk menghasilkan akseptor CO2 ribulosa-1,5-bifosfat dan memulai siklus lagi.

Pada setiap putaran penuh siklus, molekul karbon dioksida memasuki siklus dan berkurang, menunjukkan regenerasi satu molekul RuBP.

Enam putaran siklus, dengan pengenalan enam atom karbon, diperlukan untuk menghasilkan gula enam karbon, seperti glukosa. Persamaan umum untuk produksi molekul glukosa adalah:

Produk dari siklus ini adalah gliseraldehida 3-fosfat, molekul utama yang diangkut dari kloroplas ke sitoplasma sel. Triosa fosfat yang sama ini (triosa berarti gula tiga karbon) terbentuk ketika molekul fruktosa-1,6-bifosfat dipecah pada tahap keempat glikolisis dan tidak dapat dipertukarkan dengan triosa fosfat lain, dihidroksiaseton.

Menggunakan energi dari hidrolisis ikatan fosfat, empat tahap pertama glikolisis dapat dibalik untuk membentuk glukosa dari gliseraldehida 3-fosfat.

Di antara fungsi-fungsi lain, setiap 3 putaran dalam siklus, molekul triose fosfat diregenerasi dari 3 molekul CO2. Triose phosphate dapat digunakan untuk sintesis pati.

Singkatnya, fungsi siklus Calvin adalah menciptakan gula tiga-karbon, yang kemudian dapat digunakan untuk membangun gula lain seperti glukosa, pati, dan selulosa yang digunakan oleh tanaman sebagai bahan bangunan struktural. Siklus Calvin mengambil molekul karbon langsung dari udara dan mengubahnya menjadi materi tanaman.

Ini membuat siklus Calvin menjadi vital bagi keberadaan sebagian besar ekosistem, di mana tumbuhan membentuk dasar piramida energi. Tanpa siklus Calvin, tanaman tidak akan dapat menyimpan energi dalam bentuk yang dapat dicerna oleh herbivora. Karnivora kemudian tidak memiliki akses ke energi yang tersimpan di tubuh herbivora!

Tulang punggung karbon yang dibuat dalam siklus Calvin juga digunakan oleh tumbuhan dan hewan untuk membuat protein, asam nukleat, lipid, dan semua bahan penyusun bangunan kehidupan lainnya.

Siklus Calvin juga mengatur kadar karbon dioksida, gas rumah kaca, di atmosfer Bumi. Para ilmuwan telah menyuarakan keprihatinan karena, selain menempatkan CO2 dalam jumlah besar kembali ke udara dengan membakar batu bara, minyak, dan bensin, manusia juga telah menebang sekitar setengah dari seluruh hutan Bumi, yang memainkan peran penting dalam menghilangkan CO2 dari udara.

Dalam pengertian paling umum, fungsi utama siklus Calvin adalah membuat produk organik yang dibutuhkan tumbuhan menggunakan produk dari reaksi cahaya fotosintesis (ATP dan NADPH). Produk organik ini meliputi glukosa, gula yang dibuat menggunakan karbon dioksida dan air, ditambah protein (menggunakan nitrogen yang tetap dari tanah) dan lipid (mis., Lemak dan minyak).

Ini adalah fiksasi karbon, atau memperbaiki karbon anorganik menjadi molekul organik yang dapat digunakan tanaman:

3 CO2 + 6 NADPH + 5 H2O + 9 ATP → gliseraldehida-3-fosfat (G3P) + 2 H+ + 6 NADP+ + 9 ADP + 8 Pi (Pi = fosfat anorganik)

Enzim kunci untuk reaksi adalah RuBisCO. Meskipun sebagian besar teks mengatakan bahwa siklus menghasilkan glukosa, siklus Calvin sebenarnya menghasilkan molekul 3-karbon, yang akhirnya diubah menjadi gula heksosa (C6), glukosa.

Siklus Calvin adalah serangkaian reaksi kimia bebas-cahaya, jadi Anda mungkin juga mendengarnya disebut sebagai reaksi gelap. Ini tidak berarti siklus Calvin hanya terjadi dalam kegelapan; itu hanya tidak memerlukan energi dari cahaya untuk reaksi terjadi.

Tahapan Siklus Calvin

Siklus Calvin terjadi dalam tiga langkah dasar: fiksasi, reduksi, dan regenerasi reseptor. Selanjutnya, kami akan menyajikan tiga putaran siklus, yang merupakan jumlah putaran yang diperlukan untuk produksi molekul gliseraldehida 3-fosfat (PGAL) pada akhirnya.

Fiksasi karbon

Pada langkah fiksasi, tiga molekul karbon dioksida memasuki siklus dan digabungkan (difiksasi) dengan tiga molekul RuBP (Ribulosa 1,5-bifosfat). Pada saat itu, tiga molekul senyawa yang tidak stabil terbentuk, yang dengan cepat dipecah menjadi enam molekul PGA (3-fosfogliserat). Reaksi fiksasi karbon dikatalisis oleh enzim Rubisco (RuBP karboksilase / oksigenase).

Dalam fiksasi karbon, molekul CO2 dari atmosfer bergabung dengan molekul akseptor lima karbon yang disebut ribulosa-1,5-bifosfat (RuBP).

Senyawa enam karbon yang dihasilkan kemudian dipecah menjadi dua molekul senyawa tiga-karbon, 3-asam fosfogliserat (3-PGA).

Reaksi ini dikatalisis oleh enzim RuBP karboksilase / oksigenase, juga dikenal sebagai RuBisCO. Karena peran kunci yang dimainkannya dalam fotosintesis, RuBisCo mungkin adalah enzim yang paling melimpah di Bumi.

Reduksi

Pada tahap reduksi siklus Calvin, enam molekul PGA direduksi menjadi enam molekul PGAL (gliseraldehida 3-fosfat). Awalnya, enzim 3-fosfogliserat kinase mengkatalisis transfer fosfat dari molekul ATP (molekul yang mengandung energi) ke molekul PGA. Transfer ini menghasilkan molekul 1,3 bisphosphoglycerate. Senyawa yang terakhir direduksi menjadi PGAL dalam suatu reaksi yang dikatalisis oleh enzim gliseraldehida 3-fosfat dehidrogenase. NADPH memasok elektron untuk reaksi reduksi ini.

Pada tahap kedua dari siklus Calvin, molekul 3-PGA yang diciptakan melalui fiksasi karbon diubah menjadi molekul gula sederhana – gliseraldehida-3 fosfat (G3P).

Tahap ini menggunakan energi dari ATP dan NADPH yang diciptakan dalam reaksi fotosintesis yang bergantung pada cahaya (reaksi terang). Dengan cara ini, siklus Calvin menjadi cara yang dilakukan tanaman untuk mengubah energi dari sinar matahari menjadi molekul penyimpanan jangka panjang, seperti gula. Energi dari ATP dan NADPH ditransfer ke gula.

Langkah ini disebut “reduksi” karena NADPH menyumbangkan elektron ke molekul asam 3-fosfogliserat untuk menciptakan gliseraldehida-3 fosfat. Dalam kimia, proses menyumbangkan elektron disebut “reduksi,” sementara proses pengambilan elektron disebut “oksidasi.”

Regenerasi

Pada tahap terakhir siklus calvin, lima dari enam molekul PGAL digunakan untuk meregenerasi tiga molekul RuBP.

  • Beberapa molekul gliseraldehida-3 fosfat bergerak untuk membuat glukosa, sementara yang lain harus didaur ulang untuk meregenerasi senyawa RuBP lima karbon yang digunakan untuk menerima molekul karbon baru.
  • Proses regenerasi membutuhkan ATP. Ini adalah proses kompleks yang melibatkan banyak langkah.
  • Karena dibutuhkan enam molekul karbon untuk membuat glukosa, siklus ini harus diulang enam kali untuk membuat satu molekul glukosa.
Siklus-Calvin
Diagram Siklus Calvin Sederhana

Untuk mencapai persamaan ini, lima dari enam molekul fosfat gliseraldehida-3 yang diciptakan melalui siklus Calvin diregenerasikan untuk membentuk molekul RuBP. Keenam output dari siklus menjadi setengah molekul glukosa.

Produk Siklus Calvin

  1. Setiap putaran siklus Calvin “memperbaiki” satu molekul karbon yang dapat digunakan untuk membuat gula.
  2. Diperlukan tiga putaran siklus Calvin untuk menciptakan satu molekul gliseraldehida-3 fosfat.
  3. Setelah enam putaran siklus Calvin, dua molekul gliseraldehida-3 fosfat dapat dikombinasikan untuk membentuk molekul glukosa.

Setiap putaran siklus Calvin juga menggunakan 3 ATP dan 2 NADPH dalam proses reduksi (penambahan elektron ke) asam 3-fosfogliserat untuk menghasilkan gliseraldehida-3 fosfat, dan regenerasi RuBP sehingga mereka dapat menerima atom karbon baru dari CO2. dari udara. Ini berarti bahwa untuk menghasilkan satu molekul glukosa, 18 ATP dan 12 NADPH dikonsumsi.

Peranan Siklus Calvin

Pada alga dan tumbuhan tingkat tinggi, ada mekanisme karboksilasi primer tunggal yang menghasilkan sintesis senyawa karbon: Siklus Calvin atau jalur pentosa fosfat. Kepentingan biologisnya terletak pada kenyataan bahwa siklus Calvin adalah satu-satunya rute bagi organisme autotrofik, baik itu fotosintesis atau kemosintesis, yang memungkinkan penggabungan bahan anorganik ke dalam makhluk hidup.

Produk-produk dari siklus Calvin sangat penting bagi biosfer, karena ikatan kovalen karbohidrat yang dihasilkan oleh siklus mewakili total energi yang muncul dari memperoleh cahaya oleh organisme fotosintesis. Organisme yang disebut autotrof melepaskan sebagian besar energi ini melalui glikolisis dan respirasi sel, energi yang mereka gunakan untuk mempertahankan perkembangan, pertumbuhan, dan reproduksi mereka sendiri. Sejumlah besar bahan tanaman akhirnya dikonsumsi oleh heterotrof, yang tidak dapat mensintesis dan bergantung pada autotrof untuk bahan baku dan sumber energi. Glikolisis dan respirasi sel dalam sel heterotrof melepaskan energi bebas dari makanan untuk digunakan dalam organisme ini.

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *