RuBP: مولکول پذیرنده CO₂ در چرخه کالوین

ریبولوز بی‌فسفات: مولکول پذیرنده‌ی دی‌اکسید کربن

فتوسنتز و چرخه‌ی کالوین: یک نمای کلی

فتوسنتز فرآیندی است که گیاهان سبز، جلبک‌ها و برخی باکتری‌ها از آن برای تبدیل انرژی نور خورشید به انرژی شیمیایی استفاده می‌کنند. این فرآیند را می‌توان به دو مرحله‌ی اصلی تقسیم کرد: واکنش‌های نوری و واکنش‌های تاریک (چرخه‌ی کالوین).

واکنش‌های نوری در غشای تیلاکوئید⁴ کلروپلاست⁵ رخ می‌دهد و انرژی نور را به مولکول‌های پرانرژی ATP⁶ و NADPH⁷ تبدیل می‌کند. چرخه‌ی کالوین در استروما⁸ کلروپلاست اتفاق می‌افتد و از این انرژی برای تثبیت دی‌اکسید کربن و تولید قند استفاده می‌کند. RuBP ستون فقرات این چرخه است.

ریبولوز بی‌فسفات: شناسنامه‌ی مولکولی

ریبولوز بی‌فسفات یک قند پنج‌کربنه است. فرمول شیمیایی آن $ C_5H_{12}O_{11}P_2 $ است. نام "بی‌فسفات" به این دلیل است که دو گروه فسفات ($ PO_4 $) به این مولکول متصل هستند. این گروه‌های فسفات مانند دسته‌هایی عمل می‌کنند که مولکول را در مکان صحیح داخل آنزیم¹⁰ اصلی خود، روبیسکو¹¹، قرار می‌دهند.

نقش RuBP در چرخه‌ی کالوین: یک بازی سه مرحله‌ای

چرخه‌ی کالوین را می‌توان به سه مرحله‌ی اصلی تقسیم کرد: تثبیت کربن، کاهش و باززایی پذیرنده.

۱. تثبیت کربن: این مرحله‌ی کلیدی است که در آن RuBP نقش ستاره‌ی اصلی را بازی می‌کند. مولکول RuBP با یک مولکول دی‌اکسید کربن ($ CO_2 $) ترکیب می‌شود. این واکنش توسط آنزیم روبیسکو کاتالیز می‌شود. حاصل این اتصال، تشکیل یک مولکول ناپایدار شش‌کربنه است که بلافاصله به دو مولکول سه‌کربنه به نام 3-فسفوگلیسرات¹³ (3-PGA) تجزیه می‌شود. این مرحله در واقع همان "پذیرش" $ CO_2 $ توسط RuBP است.

واکنش شیمیایی این مرحله به این شکل است: $ RuBP (5C) + CO_2 (1C) \xrightarrow[\text{Rubisco}]{} 2 \times 3\text{-}PGA (3C) $

۲. کاهش: در این مرحله، مولکول‌های 3-PGA با استفاده از انرژی ATP و قدرت کاهنده‌ی NADPH (که از واکنش‌های نوری آمده‌اند) به یک قند سه‌کربنه‌ی ساده به نام گلیسرآلدئید-۳-فسفات¹⁴ (G3P) تبدیل می‌شوند. این G3P محصول نهایی چرخه‌ی کالوین است. برخی از این مولکول‌های G3P برای ساخت گلوکز و سایر قندها خارج می‌شوند.

۳. باززایی پذیرنده (بازسازی RuBP): این مرحله، چرخه را کامل می‌کند. بیشتر مولکول‌های G3P برای بازسازی مولکول پذیرنده‌ی اولیه، یعنی RuBP، استفاده می‌شوند. این فرآیند پیچیده شامل یک سری واکنش‌ها است و به انرژی بیشتری از ATP نیاز دارد. بدون این مرحله، ذخیره‌ی RuBP به سرعت تمام شده و چرخه متوقف می‌شود.

یک مثال عملی از کارخانه‌ی قندسازی

کلروپلاست را مانند یک کارخانه‌ی پیشرفته در نظر بگیرید. خط تولید اصلی این کارخانه، چرخه‌ی کالوین است. در این خط تولید:

• RuBP مانند یک گیره‌ی مخصوص است که روی نوار نقاله حرکت می‌کند.
• دی‌اکسید کربن ($ CO_2 $) ماده‌ی خام اولیه است.
• آنزیم روبیسکو مانند یک کارگر بسیار ماهر است که ماده‌ی خام ($ CO_2 $) را می‌گیرد و به درستی روی گیره (RuBP) سوار می‌کند.
• محصول اولیه این اتصال، دو نیمه‌ی سه‌کربنه (3-PGA) است.
• انرژی (ATP) و مواد کمکی (NADPH) از بخش نیروگاه کارخانه (واکنش‌های نوری) می‌آیند تا این نیمه‌ها را به محصول نهایی (G3P) تبدیل کنند.
• در نهایت، بخشی از این محصولات نهایی برای ساخت قند بسته‌بندی می‌شوند و بخش دیگر برای ساخت گیره‌های جدید (RuBP) استفاده می‌شوند تا خط تولید هیچ‌گاه متوقف نشود.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

¹ ریبولوز بی‌فسفات (Ribulose Bisphosphate - RuBP)
² دی‌اکسید کربن (Carbon Dioxide - CO₂)
³ چرخه‌ی کالوین (Calvin Cycle)
⁴ تیلاکوئید (Thylakoid)
⁵ کلروپلاست (Chloroplast)
⁶ آدنوزین تری‌فسفات (Adenosine Triphosphate - ATP): مولکول حامل انرژی در سلول.
⁷ نیکوتین آمید آدنین دینوکلئوتید فسفات (Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate - NADPH): مولکول حامل الکترون و هیدروژن.
⁸ استروما (Stroma): ماده‌ی زمینۀ درون کلروپلاست.
⁹ کلروفیل (Chlorophyll): رنگدانه‌ی سبز جاذب نور.
¹⁰ آنزیم (Enzyme): کاتالیزورهای زیستی که سرعت واکنش‌ها را افزایش می‌دهند.
¹¹ روبیسکو (Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase - Rubisco)
¹² پروتئین (Protein)
¹³ 3-فسفوگلیسرات (3-Phosphoglycerate - 3-PGA)
¹⁴ گلیسرآلدئید-۳-فسفات (Glyceraldehyde-3-phosphate - G3P)