Ciclo de Calvin

Definição

O ciclo de Calvin é um processo que as plantas e as algas usam para transformar o dióxido de carbono do ar em açúcar, os autotróficos de alimentos precisam crescer.

Todo ser vivo na Terra depende do ciclo de Calvin.

As plantas dependem do ciclo de Calvin para obter energia e alimentos. Outros organismos, incluindo herbívoros, também dependem indiretamente, porque dependem de plantas para alimentação.

Mesmo organismos que comem outros organismos, como carnívoros, dependem do ciclo de Calvin. Sem ele, eles não teriam a comida, energia e nutrientes necessários para sobreviver.

O ciclo de Calvin possui quatro etapas principais: fixação de carbono, fase de redução, formação de carboidratos e fase de regeneração.

A energia para alimentar reações químicas nesse processo de geração de açúcar é fornecida pelo ATP e NADPH, compostos químicos que contêm as usinas de energia capturadas da luz solar.

O que é

O ciclo de Calvin é um processo no qual a energia armazenada é utilizada para criar compostos utilizáveis em um organismo fotossintético.

Essa reação química às vezes é conhecida como ciclo de Calvin-Bensom-Bassham, depois de Melvin Calvin, James Bassham e Andrew Benson, pesquisadores da Universidade da Califórnia que primeiro descreveram o processo. A química por trás desse ciclo é extremamente complexa, mas o básico pode ser entendido pelos leigos.

Organismos fotossintéticos usam a luz solar para criar energia que é armazenada na forma de vários compostos químicos. Para o organismo, este é apenas o primeiro passo, pois a energia não faz nada pelo organismo depois de armazenada.

No ciclo de Calvin, a energia é usada para transformar o dióxido de carbono em um açúcar que pode ser usado pela planta, em um processo que às vezes é chamado de fixação de carbono.

Esse processo ocorre dentro do estroma, uma rede de tecido conjuntivo nos cloroplastos do organismo. Os cloroplastos são organelas especializadas encontradas nas células de organismos fotossintéticos.

Para que o ciclo de Calvin ocorra, certas enzimas devem ser desencadeadas através da exposição à luz solar. Essas enzimas se ligam ao carbono no dióxido de carbono, desencadeando uma reação em cadeia que resulta na criação de um açúcar.

Algumas pessoas se referem ao ciclo de Calvin como uma reação sombria ou independente da luz, referindo o fato de que isso pode ocorrer independentemente da presença da luz solar.

No entanto, a luz solar ainda desempenha um papel crítico, porque as enzimas responsáveis pelo ciclo de Calvin não estarão ativas, a menos que tenham sido estimuladas pela luz solar.

Embora esse ciclo possa ocorrer na calada da noite, o carbono ainda precisa de exposição solar regular para armazenar energia e ativar as enzimas, para que o ciclo de Calvin continue.

Para o organismo, o Processo de Calvin é crítico, pois fornece compostos necessários à sobrevivência do organismo.

O Processo Calvin é de interesse para os seres humanos, devido à curiosidade geral sobre como o mundo funciona, e porque explica como as plantas usam carbono.

As plantas são famosas por absorver dióxido de carbono e liberar oxigênio, uma característica que tem um tremendo impacto no clima do mundo. A fixação de carbono pode ajudar a remover o dióxido de carbono do ar, criando um suprimento de oxigênio utilizável, e algumas pesquisas sugeriram que a atmosfera da Terra foi formada por esse processo, como resultado de uma explosão de organismos fotossintéticos que criaram oxigênio suficiente para outras formas de vida para aparecer.

Descoberta

Usando o radioativo carbono-14 isótopo como um traçador, Calvin, Andrew Benson e sua equipe mapearam a rota completa que o carbono passa por uma planta durante a fotossíntese.

Eles rastrearam o carbono-14 a partir da sua absorção da atmosférica de dióxido de carbono para a sua conversão em hidratos de carbono e outros compostos orgânicos.

As algas unicelular Chlorella foi utilizado para rastrear o carbono-14.

O grupo Calvin mostrou que atua sobre a luz solar de clorofila numa planta para abastecer o fabrico de compostos orgânicos, não diretamente sobre o dióxido de carbono como se acreditava anteriormente.

Conceito de Ciclo de Calvin (ou Ciclo do Carbono)

Também conhecido como ciclo do carbono, o ciclo de Calvin é a designação dada a uma cadeia cíclica de reações químicas que ocorrem no estroma dos cloroplastos, na qual se forma glícidos após a fixação e redução do dióxido de carbono.

Esta cadeia de reações foi pela primeira vez observada por Calvin e seus colaboradores quando efetuavam experiências para identificar o trajeto seguido pelo dióxido de carbono absorvido pelas plantas. Para isso, efetuaram, entre 1946 e 1953, uma série de investigações em que estudaram o crescimento da Chlorella, uma alga verde, num meio com dióxido de carbono radioativo.

Nesses estudos verificaram que o carbono radioativo surgia integrado em moléculas de glicose 30 segundos depois de se ter iniciado a fotossíntese. Interrompendo o processo a intervalos definidos, identificaram os compostos intermédios, bem como a sua relação com as fontes de energia química gerada durante a fase dependente da luz.

Descrição do Ciclo de Calvin

O ciclo de Calvin inicia-se com a combinação do dióxido de carbono com um composto de cinco átomos de carbono (ribulose difosfato (RuDP)) originando um composto instável com seis átomos de carbono.

Este composto desdobra-se de seguida em duas moléculas com três átomos de carbono cada (o ácido fosfoglicérico (PGA)).

O ácido fosfoglicérico é então fosforilado pelo ATP e reduzido pelo NADPH, formando o aldeído fosfoglicérico (PGAL).

O aldeído fosfoglicérico segue então dois caminhos diferentes: uma parte vai regenerar a ribulose monofosfato e o restante é utilizado para diversas sínteses no estroma, entre as quais a síntese da glicose.

Por cada seis moléculas de dióxido de carbono entradas no ciclo, formam-se doze de PGAL: dez vão regenerar a ribulose monofosfato e as restantes duas vão formar, por exemplo, uma molécula de glicose.

Nesse conjunto de reações são utilizadas dezoito moléculas de ATP (três por cada ciclo) e doze moléculas de NADPH.

Função do Ciclo de Calvin

A função do ciclo de Calvin é criar açúcares de três carbonos, que podem ser usados para construir outros açúcares, como glicose, amido e celulose, usados pelas plantas como material de construção estrutural.

O ciclo de Calvin retira moléculas de carbono do ar e as transforma em matéria vegetal.

Isso torna o ciclo de Calvin vital para a existência da maioria dos ecossistemas, onde as plantas formam a base da pirâmide de energia. Sem o ciclo de Calvin, as plantas seriam incapazes de armazenar energia de uma forma que os herbívoros pudessem digerir. Os carnívoros não teriam acesso à energia armazenada nos corpos dos herbívoros!

As espinha dorsal de carbono criados no ciclo de Calvin também são usados por plantas e animais para produzir proteínas, ácidos nucléicos, lipídios e todos os outros componentes da vida.

O ciclo de Calvin também regula os níveis de dióxido de carbono, um gás de efeito estufa, na atmosfera da Terra.

Os cientistas levantaram preocupações porque, além de colocar grandes quantidades de CO₂ de volta no ar queimando carvão, petróleo e gasolina, os seres humanos também cortaram cerca de metade de todas as florestas da Terra, que desempenham um papel importante na remoção de CO₂ do ar.

Ciclo de Fixação do Carbono nas Plantas

O ciclo foi primeiro elucidado por Calvin e colaboradores em 1946 e por esta razão, também é conhecido como ciclo de Calvin.

Ele pode ser dividido em quatro fases distintas: fase de carboxilação, fase de redução, fase de regeneração e fase de síntese dos produtos. A fase de carboxilação consiste na reação de CO₂ com a ribulose bisfosfato, catalisada pela ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase (RuBisCO), seguida por uma clivagem molecular, formando o ácido fosfoglicérico.

A fase de redução consiste na redução do ácido glicérico, formado na etapa anterior, em triose fosfato. A fase de regeneração consiste na regeneração da ribulose bisfosfato através de reações de interconversão de açúcares.

A fase de síntese de produtos consiste na produção de outros compostos, tais como, polissacarídeos, aminoácidos e ácidos graxos. A síntese desses compostos é influenciada pelas condições fisiológicas.

O ciclo de Calvin também é conhecido como a rota C3 de fixação do carbono, uma vez que o produto formado é um composto de 3 carbonos (ácido fosfoglicérico). Entretanto, esta não é a única rota de fixação do CO₂.

Na maioria das plantas e gramíneas tropicais, tais como, a cana-de-açúcar e a cevada, a fixação do CO₂ resulta em compostos de 4 carbonos como o oxaloacetato, o malato e o aspartato.

A fixação ocorre pela carboxilação do  fosfoenolpiruvato a oxaloacetato catalisada pela fosfoenolpiruvato carboxilase. Por essa razão, essa rota é chamada de C4. Existe ainda o metabolismo ácido das crassuláceas (CAM), cujo nome se deve ao fato de ser primeiro encontrado nas Crassulaceae.

Esta rota de fixação do CO₂ é muito comum nas famílias das angiospermas: Agavaceae, Bromeliaceae, Cactaceae, Euphorbiaceae, Liliaceae, Orchidaceae, etc.

Como nas plantas de metabolismo C4, o primeiro metabólito a ser sintetizado pela fixação do CO₂ é o oxaloacetato.

Este CO₂ é posteriormente liberado pela descarboxilação do malato e refixado no ciclo de Calvin pela RuBisCO. Entretanto os metabolismos CAM e C4 diferem entre si pelo local e tempo de ocorrência.

Nos vegetais que apresentam metabolismo C4, a fixação do CO₂ ocorre nas células fotossintéticas presentes no mesófilo da folha.

O carbono fixado na forma de malato migra para as células envolventes da bainha onde ocorre então a liberação e refixação do CO₂ através do ciclo de Calvin.

Nas plantas do metabolismo CAM o período de fixação via fosfoenolpiruvato carboxilase e RuBisCO estão separados pelo tempo.

Nessas plantas, a fixação ocorre durante a noite quando os estômatos estão abertos via carboxilação do fosfoenolpiruvato e acúmulo do malato, assim formado, nos vacúolos. Durante o dia, os estômatos se fecham para minimizar a perda de água, e o malato é transportado para o citossol onde é descarboxilado e o CO₂ é fixado.

O ciclo de Calvin: a via de três carbonos

A redução do carbono ocorre no estroma dos cloroplastos por intermédio de uma série de reações conhecidas como ciclo de Calvin (em homenagem ao seu descobridor, Melvin Calvin, que recebeu o prêmio Nobel pelo seu trabalho de elucidação desta via).

O ciclo de Calvin é análogo ao ciclo de Krebs, tendo em vista que, ao final de cada volta do ciclo, o composto inicial é regenerado. O composto inicial (e final) do ciclo de Calvin é um açúcar de cinco carbonos, contendo dois grupos fosfatos – ribulose 1,5-bifosfato (RuBP). O processo se inicia quando o dióxido de carbono entra no ciclo e é “fixado” (ligado covalentemente) à RuBP.

O composto resultante de seis carbonos quebra-se imediatamente para formar duas moléculas de 3-fosfoglicerato ou PGA.

Cada molécula de PGA contém três átomos de carbono: por isso a designação do ciclo de Calvin como ciclo C3 ou via de três carbonos. O intermediário de seis carbonos nunca foi isolado.

A RuBP carboxilase (comumente chamada de “Rubisco”), a enzima catalizadora desta reação inicial crucial, é muito abundante nos cloroplastos, correspondendo a mais de 15% da proteína total dos cloroplastos. (Dizem que é a proteína mais abundante do mundo.

O ciclo completo está esquematizado na figura acima.

Do mesmo modo que no ciclo de Krebs, cada etapa do ciclo de Calvin é catalisada por uma enzima específica.

A cada volta completa do ciclo, uma molécula de dióxido de carbono entra no ciclo e é reduzida, havendo a regeneração de uma molécula de RuBP. Seis voltas do ciclo, com a introdução de seis átomos de carbono, são necessários para produzir um açúcar de seis carbonos, tal como a glicose.

A equação geral para a produção de uma molécula de glicose é:

6CO₂ + 12NADPH + 12H+ + 18 ATP -> 1glicose + 12NADP+ + 18ADP + 18Pi + 6H₂O

O produto do ciclo é o gliceraldeído 3-fosfato, a molécula primária transportada do cloroplasto para o citoplasma da célula. Esta mesma triose fosfato (“triose” significa um açucar de três carbonos) é formada quando a molécula de frutose 1.6-bifosfato é quebrada na quarta etapa da glicólise, e é interconversível com outra triose fosfato, a diidroxicetona. Utilizando a energia proveniente da hidrólise de ligações fosfato, as primeiras quatro etapas da glicólise podem ser revertidas para formar glicose a partir do gliceraldeído 3-fosfato.

Fonte: www.khanacademy.org/www.nationalgeographic.org/biologydictionary.net/www.wisegeek.org/www.knoow.net/aprendafisiologia.com.pt/bio.libretexts.org/www.ck12.org/www.udg.co.cu