Em 1950 um grupo de cientistas da Universidade da Califórnia, em Berkeley, liderados por Melvin Calvin e Andrew Benson elucidou o ciclo de Calvin foi o resultado de uma série de experimentos realizados por Melvin Calvin e seus colegas, para os quais um prêmio Nobel foi concedido em 1961. Eles utilizaram suspensões unicelulares de alga verde Chlorella para rastrear o carbono (CALVIN, 1961).
Figura 1. Fotomicrografia de Chlorella (Fonte: CALVIN, 1961)
Para elucidar o ciclo, os pesquisadores expuseram pela primeira vez as células das algas às condições constantes de luz e de CO2 para estabelecer steady-state da fotossíntese. Em seguida eles adicionaram 14CO2 radioativo por um breve período para identificar os intermediários do ciclo. Os pesquisadores inativaram as enzimas, mergulhando-as em suspensão em álcool fervente. Eles separaram os compostos e os identificou por suas posições com cromatografias bidimensionais (CALVIN, 1961).
Figura 2. Cromatografia do extrato de Chorella indicando absorção de carbono radioativo durante 30 segundos de fotossíntese.UDPG = Uridina difosfoglicose (UDP-glicose); PEPA= ácido fosfoenolpirúvico; PGA = ácido fosfoglicérico (CALVIN, 1961).
Desta maneira, 3-fosfoglicerato e os fosfatos de açúcar foram identificados como intermediários na fixação de carbono. Expondo as células a 14CO2 por períodos progressivamente mais curtos de tempo, o grupo de Calvin foi capaz de identificar 3-fosfoglicerato como o primeiro intermediário estável. Portanto, os outros fosfatos identificados deveriam ser derivados de uma subsequente redução de 3-fosfoglicerato(BASSHAM,1962). Para deduzir o caminho de carbono, foi necessário determinar a distribuição de 14C em cada um dos açúcares identificados. Depois de uma breve exposição a 14CO2, intermediários individuais foram isolados e quimicamente degradados para que a quantidade de 14C em cada átomo de carbono pudesse ser determinada. Os resultados mostraram que o 3-fosfoglicerato foi inicialmente marcado predominantemente no grupo carboxila (CALVIN, 1961).
Os primeiros açúcares mostrados na figura são as trioses e as hexoses. E então a conversão do ácido fosfoglicérico em hexose foi imediatamente sugerida. Agora, o ácido fosfoglicérico sendo um composto de três carbonos (hexose e com os seus seis átomos de carbono) seria necessária uma análise mais aprofundada para determinar qual dos três átomos de carbono eram radioativos e em que ordem eles se encontravam. Esta informação foi, naturalmente necessária também para a hexose (CALVIN, 1961). O 3-PGA é facilmente convertido em diidroxicetona fosfato (DHPA) pela hidrólise do grupo fosfato (CALVIN, 1961).
Figura 3. Via do dióxido de carbono durante a fotossíntese (Fonte: CALVIN, 1961).
Um bom número de outros compostos foram identificados no decorrer desta pesquisa, particularmente entre eles eram um açúcar de cinco carbonos (ribulose bifosfato) e um açúcar de sete carbonos (sedoheptulose).Caixa de texto:
Figura 4. Relação entre frutose fosfato e sacarose (Fonte: CALVIN, 1961).
Enquanto a relação das trioses e hexoses para PGA em uma seqüência de tempo parecia clara, a relação seqüencial dos açúcares de cinco e sete carbonos não foi prontamente determinada. Na verdade, as tentativas de estabelecer esta relação em condições normais de curvas cinéticas dos dois açúcares resultou em conclusões sobre a ordem de aparecimento da pentose, hexose e heptose que variavam de dia para dia, experimento para experimento, e pessoa para pessoa.
A distribuição de radioatividade na pentose e heptose foi determinado e sua distribuição é indicada na figura abaixo pelo número de asteriscos em cada átomo. Assim, o carbono 3 da ribulose é o primeiro a ser liberado, seguido pelos carbonos I e, finalmente, os carbonos 4 e 5 são liberados. Na sedoheptulose, os três átomos de carbono centrais (3,4,5) foram os primeiros a ser liberados, seguido por átomos de carbono 1 e 2, e 6 e 7.
Figura 5. Formação da heptulose a partir triose fosfato e hexose
CICLO DE CALVIN ACEITO ATUALMENTE
O ciclo de Calvin utiliza os produtos das reações de luz da fotossíntese, ATP e NADPH, para converter o CO2 em esqueletos de carbono que são usados diretamente para a biossíntese de amido e sacarose (WOODROW & BERRY, 1988; GEIGER & SERVAITES 1995; QUICK & NEUHAUS, 1997). Este ciclo é composto por 11 diferentes enzimas, catalisando 13 reações e é iniciada pela enzima ribulose-1,5-bifosfato oxigenase carboxilase (Rubisco), que catalisa a carboxilação da molécula de receptor de CO2, ribulose-1,5-bifosfato (RuBP).
O 3-fosfoglicerato (3-PGA), formado por esta reação é então utilizada para formar as trioses fosfato, gliceraldeído fosfato (G-3-P) e de dihidroxiacetona fosfato (DHAP), através de duas reações que consomem ATP e NADPH. A fase de regeneração do ciclo envolve uma série de reações que convertem triose fosfatos em RuBP. A maioria das trioses fosfato produzidas no ciclo de Calvin permanece dentro do ciclo para regenerar RuBP. No entanto, compostos de carbono produzidos neste ciclo são essenciais para o crescimento e desenvolvimento da planta e, portanto, as trioses fosfato saem do ciclo e são usadas para sintetizar sacarose e amido. O ciclo de Calvin também fornece intermediários para uma série de outras vias no cloroplasto,incluindo a via do chiquimato para a biossíntese de aminoácidos e de biossíntese de lignina, isoprenóides e precursores para o metabolismo de nucleotídeos e parede celular síntese (LICHTENTHALER, 1999). Claramente, o ciclo de Calvin ocupa uma posição central no metabolismo do carbono.
Além do ciclo C3 convencionalmente conhecido, na década de 1960 um grupo de cientistas descobriu um ciclo alternativo, no qual o primeiro composto estável possuía uma molécula de quatro carbonos.