Biochemie:Metabolismus Sacharidů

Obsah 1 Katabolismus sacharidů 1.1 Vstřebávání 1.2 Glykolýza 1.2.1 Pentózový cyklus 1.3 Fáze glykolýzy 1.4 Aerobní odbourávání pyruvátu 1.5 Anaerobní odbourávání pyruvátu 2 Anabolismus sacharidů 2.1 Fotosyntéza 2.2 Princip fotosyntézy 2.3 Fotosyntetická barviva 2.4 Primární (světelná) fáze 2.4.1 Absorpce a přenos elektronů 2.5 Sekundární fáze 2.6 Fotorespirace 2.7 Alternativní temnostní fáze 2.7.1 Hatch-Slackův cyklus 2.7.2 CAM rostliny 2.8 Glukoneogeneze, glykogeneze

Katabolismus sacharidů

Sacharidy jsou nejdůležitější zdroj energie (označujeme jej za rychlý) pro heterotrofní organismy. Rychlý je z toho prostého důvodu, že se při něm odbourává glukóza, a tento proces je poměrně rychlý. Zároveň se se sacharidy s potravou dostává do těla vláknina, tedy neergetická složka potravy. V potravinách přijímáme sacharidy jako mono-, oligo- i polysacharidy.

Trávení je založeno na hydrolytickém štěpení glykosidové vazby. Enzym amyláza, který se vyskytuje ve slinách, nejčastěji ve formě ptyalinu štěpí polysacharid škrob postupně na disacharidové jednotky, tedy na maltosu. Maltasa štěpí disacharid maltosu na monosacharid glukosu. Produktem trávení polysacharidů jsou monosacharidy, tedy například glukosa, fruktosa, galaktosa atd.
Z fyziologického hlediska dochází k trávení tímto způsobem. V dutině ústní vznikají štěpením škrobu ptyalinem dextriny, což jsou delší řetězce sacharidů (nicméně pořád kratší než škrob). K dalšímu trávení sacharidů dochází až v duodenu. Z pankreatu se sem dostávají pankreatická α-amyláza, která způsobuje hydrolýzu 1,4 α vazby, čímž vznikají oligosacharidy. Ze sliznice tenkého střeva se vylučují oligosacharidázy, jako jsou např. laktáza, sacharidáza, maltáza atd., které dávají vzniknout monosacharidům.

Vazby α 1-6 jsou přítomny v sacharidech jako melibióza, rafinóza a stachyóza. Tyto sacharidy se běžně vyskytují v luštěninách, a jsou obecně nedokonale tráveny. Tyto sacharidy se nevstřebávají v duodenu, ale k jejich štěpení dochází až ve tlustém střevě za pomoci symbiotických bakterií. Jsou často příčinou nadýmání a trávicích potíží.

Vstřebávání

Vstřebávání sacharidů je lehké a děje se stěnou tenkého střeva. V játrech dochází k přeměně hexos na glukosu, která pak putuje do krve. V krvi hladinu glukosy (3,4 až 5,6 mmol/l) upravuje inzulín (snižuje ji) a glukagon (zvyšuje ji), krví transport do tkání. Při přebytku glukosy je tato přeměna na glykogen, nebo tuk. Tato změna se provádí přes acetyl CoA. Pro některé tkáně (mozek, sítnice, kůra nadledvin a další) je glukosa jediným zdrojem energie.

Glykolýza

Glykolýza je nejdůležitějším anaerobním odbourávajícím procesem, který se skládá z několika kroků. Nejprve je hexosa převáděna na pyruvát CH₃COCOO^-, což je sůl kyseliny pyrohroznové CH₃COCOOH. Tímto vznikají dvě molekuly pyruvátu a 2 molekuly ATP z 1 molekuly glukosy. Hovoříme-li o anaerobním průběhu, myslíme tím, že glykolysa vytváří ATP bez účasti plynného kyslíku. Glykolýza probíhá v cytoplazmě většiny buněk.
Při glykolýze je zapotřebí vzniku glukosy-6-fosfátu, která se připraví fosforylací glukosy vzniklé při trávení potravy (z jiných monosacharidů, které se na glukózu přemění izomerací), a nebo se fosforolyticky štěpí rezervní polysacharidy, k čemuž není zapotřebá ATP. Právě glukóza-6-fosfát odchází do pentózového cyklu.
Zakončení glykolýzy může být buď aerobní, kdy je pyruvát přeměněn na acetyl CoA, který se pak využívá různým způsobem a nebo je také anaerobní, kdy dochází ke kvašení, například u savců dochází ke kvašení mléčnému za vzniku kyseliny mléčné.

Pentózový cyklus

V něm probíhá dekarboxylace glukosy, vzniká při něm ribóza, jako zdroj ribosy pro nukleotidy. Je to doplňkový způsob odbourávání glukosy, při němž vznikají redukované koenzymy. Glukóza-6-fosfát se dehydrogenuje na kyselinu glukonovou (odvozená od aldonové), která je málo stálá a dochází k dekarboxylaci. Postupně dochází ke vzniku ribulosy-5-fosfátu, která se pak mění na ribózu 5 fosfát. Z ostatních produktů jsou významné především glyceraldehyd-3-fosfát a fruktóza-6-fosfát, což jsou látky, které se uplatní v dalších metabolických reakcích. Dále v pentózovém cyklu probíhá oxidace NADP⁺.

Fáze glykolýzy

V první fázi dochází k převodu monosacharidů na D-fruktosu-6-fosfát. Tato změna je provázena řadou reakcí. Nejprve se monosacharidy přemění na glukózu a následně se na ní naváže fosfát. Poté se za účasti enzymu izomerázy mění glukóza-6-fosfát právě na fruktózu-6-fosfát. Při těchto reakcích se spotřebuje jedna molekula ATP, konkrétně na navázání fosfátu.

V druhé fázi glykolýzy dochází k přeměně D-fruktosy-6-fosfátu na 2 molekuly glyceraldehyd-3-fosfátu. Tato reakce probíhá mechanismem obrácené aldolové kondenzace. Štěpením šestiuhlíkaté molekuly vznikají dva fosforylované tříuhlíkaté izomerní sacharidy, které jsou vzájemně přeměnitelné. Konkrétně vzniká glyceral-3-fosfát, neboli glyceraldehyd 3 fosfát a glyceron-fosfát, tedy dihydroxyaceton-fosfát. I tato reakce má své dílčí kroky. Zde je pouze jeden krok a to další fosforilace fruktózy na fruktózu 1,6 bisfosfát. Při této reakci se opět spotřebovává ATP.

Zkráceně tato reakce probíhá takto:

Ve třetí fázi glykolýzy dochází k přeměně triosy na kyselinu pyrohroznovou (resp. pyruvát). Při této fázi se z jedné molekuly triosy uvolní 4 molekuly ATP (substrátovou fosforylací) a dvě molekula NADH + H⁺ (oxidací).

Podle těchto rovnic to vypadá, jako by vznikali pouze 2 ATP a jeden přenašeč, ale musíme si uvědomit, že se z fruktózy uvolňují 2 glyceraldehydy (respektive vzniká 4% glyceraldehydu a 96% dihydroxyacetonu, který ale na glyceraldehyd přechází), tudíž veškerý zisk si musíme vynásobit 2, abychom získali počet vzniklé energie z glykolýzy jedné molekuly fruktózy.

Aerobní odbourávání pyruvátu

Z kyseliny pyrohroznové se pak mohou vytvářet 2 řady produktů. Reakce, které vedou k jejich vzniku jsou odlišné především díky prostředí, ve kterém probíhájí. V případě, že reakce probíhají v aerobním prostředí (vztaženo na organismy, v případě, že je tělo schopno dodat pracující buňce dostatek kyslíku) dochází ke vzniku acetyl CoA konkrétně procesem oxidační dekarboxylace, která pak dále postupuje nejčastěji do Krebsova cyklu, takže výchozí látky jsou CO₂, H₂O a energie. Do Krebsova cyklu, resp. do dýchacího řetězce se pak napojují i redukované koenzymy, kde dochází k jejich regeneraci.

Acetylkoenzym A (acetylCoA) je klíčová látka metabolismu, nejčastěji se odbourává citrátovým cyklem. Zároveň ale dává vzniknout různým ketolátkám, isoprenům a přes glyoxilátový cyklus vzniká sukcinát (zbytek po kyselině jantarové). Také se z něj biosyntézu vyváří vyšší mastné kyseliny, které se naopak β oxidací štěpí zpět na acetyl CoA. Acetyl CoA může vznikat nejen z pyruvátu a masných kyselin, ale i z tzv. ketogenních aminokyselin.

Anaerobní odbourávání pyruvátu

Glykolýzou vznikl pyruvát, anion od CH₃COCOOH a redukované koenzymy. Pokud byl ale pyruvát vyprodukován do prostředí s nedostatkem kyslíku, pak se redukované koenzymy nemohou oxidovat v dýchacím řetězci. Tatáž situace nastává u buněk, které nemají dýchací řetězec. Redukované koenzymy se v takovémto případě obnovují kvašením, tedy fermentací. Tento způsob obnovy je ale energeticky nevýhodný, protože vzniká mnohem méně ATP než při aerobním průběhu. Při anaerobním odbourávání pyruvátu již nevznikají žádné molekuly ATP, dochází jen k oxidaci redukovaných koenzymů, aby mohli být opětovně použity. Celkově se tedy při anaerobní glykolýze získává pouze 2 ATP.
Rozlišujeme dva způsoby anaerobního odbourávání, tedy kvašení. Prvním způsobem je kvašení mléčné, ke kterému dochází při nadměrné svalové práci za nedostatečného zásobování kyslíkem, kdy vznikající laktát narušuje acidobazickou rovnováhu, čímž působí křeče. Mléčné kvašení probíhá také u bakterií mléčného kvašení. Mléčného kvašení se využívá při konzervacích (zelí, okurky), kdy kyselé prostředí ničí bakterie způsobující hnilobné procesy.

Druhým typem kvašení je kvašení alkoholovém, resp. ethanolové. Toto kvašení způsobují například kvasinky. U lidí se nevyskytuje, z prostého důvodu, je pro nás toxický. Kvasinky zastavují svou činnost při dosažení úrovně asi 16 % obj. alkoholu, kdy se pro ně stává ethanol toxickým. Moderní ušlechtilé kvasinky jsou schopny dosahovat až 30% obj. alkoholu.

Anabolismus sacharidů

Fotosyntéza

Fotosyntetickou aktivitu mohou provádět pouze fototrofní organismy, které jsou tímto schopné měnit energii slunečního záření na energii chemické vazby. V drtivé většině případů se fototrofové vyživují zároveň i autotrofní, tedy sami si vytvářejí organické látky z jednoduchých anorganických látek.
Fotosyntéza běží podle obecné rovnice, do níž se zapojují CO₂, který rostlina přijímá z prostředí, dále zdroj vodíku, kterým bývá nejčastěji voda, ale u anoxygenní fotosyntézy je voda nahrazena atomárním vodíkem, sulfanem či amoniakem nebo organickými kyselinami. Na tuto směs působí fotony, které způsobují skládání CO₂ na složitější organické látky, nejčastěji cukry (především glukóza). Dále se uvolňuje odpadní produkt, který je závislý na použitém zdroji vodíku. Nejčastěji se tedy uvolňuje kyslík (z vody), ale u anoxygenní fotosyntézy se uvolňuje N₂ a nebo S. Je tedy jasné, že k redukci CO₂ dochází právě vodíkem. U sinic k tomu dochází na cytoplasmatické membráně, ale u rostlin se toto děje v chloroplastech, které sinice pochopitelně nemají.
H₂O + CO₂ → C₆H₁₂O₆ + O₂

Jak již bylo řečeno, k fotosyntéze dochází v chloroplastech. To jsou buněčné organely, typické pro rostlinnou buňku. Jsou tvořeny vnější a vnitřní membránou, mezi nimiž je mezimembránový prostor. Uvnitř chloroplastu je vnitrobuněčný prostor, kterému říkáme stroma, kde probíhá sekundární fáze fotosyntézy. Pro primární fázi fotosyntézy jsou důležité útvary, které jsou v chloroplastech roztroušené, tedy thylakoidy, na jejichž membráně je jsou uloženy oba fotosystémy. Thylakoidy se shlukují do útvarů, kterým říkáme grana, jsou to thylakoidy naskládané na sebe. I jednotlivá grana jsou navzájem propojeny thylakoidy. Každé granum obsahuje několik thylakoidů, které se skládají z membrány a vnitrothylakoidního prostoru, kterému také říkáme lumen. Podobně jako u mitochondrií se v chloroplastech nachází ribozomy i DNA, což je pozůstatek endosymbiotického původu těchto organel. Oproti mitochondriím je chloroplast 3x až 4x větší.

Princip fotosyntézy

Světelnou neboli primární fázi tvoří reakce, které jsou závislé na světle. Tato fáze probíhá v thylakoidech. Principem je využití světelné energie k tvorbě NADPH a ATP, které jsou potřeba k syntéze sacharidů v temnostní fázi fotosyntézy (ale nejen tam).
V temnostní neboli sekundární fázi probíhají reakce, které nejsou přímo závislé na světle, ale jsou závislé na primární fázi, tedy přeneseně jsou na slunečním záření závislé. Ve tmě tedy fotosyntéza neprobíhá. Tato fáze probíhá ve stromatu (resp. v cytoplasmě u prokaryot). Dochází při ní k energeticky náročné redukci C^IV (který tvoří molekuly CO₂) na C⁰. Jedná se o anabolické děje, proto se zde nebudou uplatňovat jako redukční činidla NAD⁺, ale NADP ale jako zdroj energie se využívá i zde ATP, konkrétně to ATP, které bylo vytvořeno ve světelné fázi fotosyntézy.

Fotosyntetická barviva

chlorofyl.png Hlavním fotosyntetickým barvivem je chlorofyl. Tento může být několikerý, jednotlivé typy označujeme jako A, B, C a D. C a D chlorofyl je v menšině, vyskytuje se pouze u malého množství fototrofů (řasy…). Struktura chlorofylu je u všech typu téměř stejná. Tvoří ho porfirinové jádro s centrálním atomem Mg²⁺, na němž je navázána řada substituentů. Právě díky odlišnosti jednotlivých substituentů na porfirinovém skeletu se chlorofyly odlišují. Na porfirinovém jádře je esterovou vazbou navázán 20 uhlíkatý řetězec zvaný fytol (před navázáním na porfirin se jednalo o alkohol). Jelikož tento řetězec, na rozdíl od porfirinu, neobsahuje žádné neuhlíkaté substituenty, má hydrofobní charakter. To mu umožňuje, aby byl zapuštěn do fosfolipidové membrány thylokoidů.

Pro fotosyntézu rostlin jsou důležité především chlorofyl A a B. Ty mají svá absorpční maxima (tedy vlnové délky světa, které dokáží nejlépe pohlcovat) především v modré a červené části spektra, tedy 400 až 500 nm a 650 až 700 nm, konkrétně u chlorofylu a je to 430 a 662 nm a pro chlorofyl b je to 453 a 642 nm. K největší absorpci dochází na chlorofylu B při vlnové délce 453 nm, absorbuje se až 80% záření. Mezi těmito úseky spektra k absorpci světla, téměř nedochází, chlorofyly jej pouze odráží a proto se rostliny jeví jako zelené. O tomto úseku spektra hovoříme jako o zeleném oknu.

Dalšími barvivy, které se fotosyntézy účastní jsou karoteny, které doplňují chlorofyl A a B v oblasti 400 až 500 nm. K zaplnění zeleného okna se využívá nezelených barviv, především fykoerytrinu a fykocyaninu. Tato barviva pokrývají mezeru v absorpci, tedy absorbují zelené spektrum, tj. od 450 do 650 nm.
Celé spektrum, které jsou rostliny schopné využít se označuje jako FAR, tedy fotosynthetic active radiation. Zajímavé je, že se jeho vlnové délky kryjí s viditelným spektrem lidí.

Primární (světelná) fáze

Světelná fáze fotosyntézy je započata excitace elektronů fotosyntetických barviv. Světelná fáze probíhá na dvou reakčních centrech, která označujeme jako fotosystémy. Uveďmě si příklad na fotosystému, který je složen z chlorofylu a, pomocných fotoreceptorů a proteinů (resp. enzymů). Opakuji již posté, že tyto fotosystémy jsou umístěné v thylakoidové membráně.
Rozlišujeme fotosystém I, který obsahuje molekulu chlorofylu a p₇₀₀, která byla nazvána podle svého absorpčního maxima, ležícího kolem 700 nm a fotosystém II, který obsahuje molekulu chlorofylu a p680, který má maximum kolem 680 nm.
Principiálně probíhá reakce následovně. Nejprve je pohlceno světelného záření, jehož energie je přenesena na molekulu chlorofylu a, kde dojde k další excitaci elektronů, čímž se z chlorofylu a stane silnější redukční činidlo (elektrony tedy způsobili klesnutí jeho redoxního potenciálu), čímž se excitované elektrony snáze uvolní.

Absorpce a přenos elektronů

V thylakoidní membráně zapuštěné fotosystémy tedy obsahují pár speciálních molekul chlorofylu a. Kolem něj jsou uskupeny další barviva, které označujeme jako anténní pigmenty, neboli doplňkové pigmenty (chlorofyl b, karoteny, fykoerytrin, fykocyanin). Dopadne li na ně světlo, dojde k jejich excitaci, ale nikoliv oxidaci. Přenáší foton dále přes celý antenální komplex až na reakční centrum, které již tento foton oxiduje. Jinými slovy reakcí fotonu s chlorofylem dojde k ztrátě vysokoenergetického elektronu.
Při pohlcení fotonu o nižší vlnové délce (tedy fotonu z fialového spektra), které mají vyšší energii dochází k excitaci chlorofylu až na druhý excitovaný stav, ze kterého se samovolně elektron vrací na první excitovaný stav. Tato přeměna ale není doprovázena zářením. Pohltí li chlorofyl foton o nižší energii, tedy o vyšší vlnové délce, dojde pouze k excitaci na první excitovaný stav. Odtud se chlorofyl opět vrací na základní stav, kdy při této přeměně dochází k uvolnění energie, která způsobí fotooxidaci.
Podobně jako u dýchacího řetězce i zde dochází k přenosu elektronů. Princip přijmutí těchto elektronů jsem již vysvětlil, teď se podívejme na to, co se s nimi děje dále. Tyto děje stále probíhají na membráně thylakoidů. Na ní jsou uspořádany komplexy, které jsou zodpovědné za přenos elektronu a transport H⁺ do lumenu, tedy dutiny thylakoidu, kterých se pak využívá k syntéze ATP.
Prvním krokem je dopad fotonu na fotosystém II, na němž je navázán komplex OEC (oxygen evolving coplex), tedy enzym, který je schopen hydrolyzovat vodu. Při fotolýze jedné molekuly vody dochází k uvolnění dvou elektronů, ale také k vzniku kyslíuk (odpadní produkt) a dvou protonů H⁺, které se pak podílí na výrobě ATP. Takto vzniklé elektrony se používají na redukci chlorofylu z fotosystému II, který byl oxidován při poslední absorpci a přenosu elektronů. Tímto se tedy regeneruje fotosystém II, který pak může být opět oxidován fotony, které na něj dopadají. Jelikož poskytuje fotolýza vody 2 elektrony, musí docházet i ke dvěma oxidacím chlorofylu a tedy i k uvolnění 2 elektronů.
Je třeba dodat, že se při oxidaci fotosystému II snižuje redoxní potenciál soustavy, která se již dostává do záporných čísel. Ten se postupně snižuje dalšími přenosy elektronů až k excitaci fotosystému I, kdy se redoxní potenciál opět zvyšuje. K poslednímu navýšení redoxního potenciálu (stále se ale pohybujeme v záporných číslech) dochází na posledním komplexu, tedy na ferredoxin-NADP⁺-reduktasa.
Tak a máme excitovaný, respektive oxidovaný fotosystém II, a díky němu uvolněné elektrony. Tyto se spotřebovávají v dalším komplexu, tedy v plastochinonu (koenzymu Q), na kterém dochází k navázání protonů H⁺, právě díky těmto elektronům (cyklus Q).

Takto navázané protony se uvolňují hned v následujícím komplexu, tedy v komplexu cytochromů b6 a f, kdy dochází k uvolňování protonů i elektronů. Protony jsou uvolňovány do lumenu thylakoidu, zatímco elektrony jdou do dalšího komplexu, konkrétně do plastocyanin.
Ten poskytuje elektrony dále do fotosystému I, který je opět schopen absorbovat další fotony, čímž se opět oxidují a uvolňují další elektrony. Chtělo by se tedy říci, že se teď budou v řetězci pohybovat 3 elektrony, dva co přišli z fotosystému II a jeden nový. To ale není tak úplně pravda. K těmto procesům dochází neustále, chlorofyly se tedy musí obnovovat, tedy redukovat. A právě k tomu (k redukci fotosystému I) se používají nově příchozí elektrony, jelikož jsou dva, může chlorofyl p700 absorbovat hned 2 fotony a tedy posílá dále 2 elektrony.
Tyto dva jdou do dalšího komplexu, nejprve do fylochinonu a následně do ferredoxinu. Posledním článkem přenosového řetězce je ferredoxin-NADP⁺-reduktasa, díky níž dochází k navazování protonu na NADP⁺, která se díky příchozím elektronům redukuje na NADPH+ H⁺, který proton přenáší do lumenu.
Zde končí přenos elektronů, nicméně ne celý řetězec. Ten je tvořen ještě jedním článkem a to konkrétně ATP-synthasou. Vznik ATP je způsoben, podobně jako oxidativní fosforilace, protonovým gradientem, tedy aktivním přenosem H⁺ do lumenu, odkud je zpětně (bez spotřeby energie) vpouštěn do stromatu.

Zde může docházet ke dvěma odlišným procesům. Prvním z nich je cyklická fotofosforilace. K té dochází pouze za určitých podmínek. Dochází při ní k regeneraci fotosystému I tím elektronem, který byl předtím z něj excitován, tedy elektron krouží v kruhu. Při tomto způsobu se nevyužívá elektron transportního řetězce a nevzniká při něm NADPH + H⁺, ale pouze ATP. Elektron se přenáší na komplex cytochromů, kde dochází k syntéze ATP a následně se elektron opět přenášen na fotosystém I, který tímto regeneruje.
Druhou možností je necyklická fosforilace. Tato je mnohem častější. Při ní se elektrony používají na oxidaci NADPH + H⁺ a to postupem přes různé oxidoreduktázové koenzymy. Vzniklý NADP⁺ se zapojuje do p₆₈₀, který jej dále přenáší na OEC, který je schopen hydrolyzovat vodu. Tam se nově uvolněné protony navazují na přenašeč a elektrony, které pak způsobují opětovnou regeneraci fotosystému II. Jako necyklický ho označujeme proto, že se elektron z fotosystému I nevrací zpět, ale vrací se do fotosystému II. Následně může docházet k produkci ATP způsobeným gradientem protonů.
Tak jsme si úspěšně vytvořili ATP, které se bude spotřebovávat při samotných chemických reakcích. Nyní se podíváme na samotné chemické reakce, které při primární fázi probíhají. Primární fáze je od sekundární oddělena místně i časově. Primární fázi lze shrnout touto rovnicí:
H₂O + NADP⁺ + P + ADP → O₂ + NADPH + H⁺ + ATP

Sekundární fáze

Prvním krokem sekundární fáze, tedy iniciační fází je fixace oxidu uhličitého. Ten se navazuje na ribulózu-1,5-bisfosfát. Můžeme mluvit o karboxylaci, proto se také označuje jako karboxylační fáze, protože se na ribulózu skutečně navazuje skupina COO^-, čímž vzniká nestabilní meziprodukt, který se rozpadá na dvě molekuly 3-fosfoglycerátu. Přesněji řečeno se navazují 3 molekuly CO₂ na 3 molekuly ribulózy-1,5-bisfosfátu, čímž vzniká 6 molekul fosfoglycerátu. Tato reakce se katalyzovaná enzymem RubisCO, což je ribulóza-1,5-bisfosfát-karboxyláza-oxygennáza. Je to nejrozšířenější enzym na Zemi. Je ho tolik, protože je jeho aktivita dost malá a hlavně pomalá, tedy jeho kvalita se musí kompenzovat kvantitou. Zakroužkovaný kyslík pochází z vody. Oba dva vodíky, které se z vody uvolnili se pravděpodobně navazují na COO^-.

Tyto reakce jsou zároveň prvními reakcemi Calvinova cyklu, během něhož jsou 3 molekuly CO₂ přeměňovány na složitější organické sloučeniny. Tento cyklus, přeneseně celá sekundární fáze probíhá ve stromatu chloroplastů. Toto je ale energeticky náročné, používá se zde ATP, které bylo vytvořeno v primární fázi. Celková ztráta je 9 molekul ATP a 6 molekul NADPH + H⁺. Calvinův cyklus se rozděluje právě na tuto karboxylační, následující redukční a konečně také regenerační fázi.
Těchto 6 nově vzniklých molekul 3-fosfoglycerátu se obohacuje o fosfát, který vznikl ze štěpení ATP za vzniku 1,3-bisfosfoglycerátu. Toto ATP pochází z primární fáze. Tato reakce se již řadí do redukční fáze. Redukční fáze dále pokračuje, když se takto vzniklý 1,3-bisfosfoglycerát redukuje na glyceraldehyd-3-fosfát. I této sloučeniny vzniká 6 molekul. U této reakce se spotřebovává NADPH + H⁺ z primární fáze, díky němuž se bisfosfoglycerát redukuje.

Tímto vzniká 6 molekul glyceraldehydu-3-fosfátu, z nichž 5 molekul pokračuje dále v reakcích Calvinova cyklu a poslední šestá molekula se použije na tvorbu potřebných látek, například cukrů, mastných kyselin, aminokyselin atd. Nejčastěji se ale vytváří glukóza, resp. glukóza přeměněna na tranzitorní škrob, tedy škrob, který je rostlina schopna přemísťovat. V chloroplastu se mění transitorní glukóza na tranzitorní sacharózu, která dává vzniknout zásobnímu škrobu nebo sacharóze nebo stavební látce většiny rostlin, tedy celulóze.
Po vzniku glyceraldehydu-3-fosfátu končí redukční fáze, a Calvinův cyklus pokračuje regenerační fází. Z 5 molekul glyceraldehydu-3-fosfátu vznikají 3 molekuly ribulóza 5 fosfátu, u této reakce se uvolňují 2 fosfáty. Následně je vzniklá ribulóza 5 fosfát obohaceno o další fosfáty, čímž vznikají 3 molekuly ribulóza-1,5-bisfosfátu. Tím došlo k regeneraci látky, která reagovala s asimilovaných CO2 a cyklus se tedy může odehrát znova.

Sekundární děje, které probíhají ve stromatu chloroplastů lze vyjádřit jednoduchou rovnicí:
6CO₂ + 12NADPH + 12H⁺ + 18ATP → C₆H₁₂O₆ + 12NADP⁺ + 18ADP + 18 P + 6H₂O

Fotorespirace

Fotorespirace, neboli „světelné dýchání“ je sled reakcí, který nastává v nepříhodném prostředí, konkrétně při vysoké koncentraci O₂ (pro rostliny odpadní produkt!) a nízké koncentraci CO₂. V těchto případech dochází k potlačení reakcí Calvinova cyklu. Rostliny přijímají O₂ a dochází k rozkladu sacharidů na CO₂. Vlastně je to Calvin naruby. Toto je umožněno enzymem RubisCO, který začleňuje CO₂ k ribulóze-1,5-bisfosfátu. Ten totiž katalyzuje rovněž reakci s O₂. Tento mechanismus slouží tedy pravděpodobně jako ochrana buňky. Je poměrně častá, tvoří asi 1/3 doby fotosyntézy.

Alternativní temnostní fáze

Standardní temnostní fáze, která probíhá u 99% rostlin dochází při iniciaci k navázání jedné molekuly CO₂ na 5uhlíkatou látku, čímž vznikají dvě 3uhlíkaté sloučeniny. Tento způsob iniciace je u některých rostlin modifikován.

Hatch-Slackův cyklus

Alternativní temnostní fáze se vyskytuje u tzv. C4-rostlin. Důvodem pro ni je poměrně neefektivní asimilace CO₂, a tento způsob umožňuje navazování CO₂, které je efektivnější.

Tento alternativní způsob se označuje jako Hatch-Slackův cyklus, který probíhá v buňkách listového mezofylu (zatímco u klasické temnostní fáze probíhá v parenchymu), zatímco v pochvách cévních svazků probíhá dekarboxylace malátu a samotný Calvinův cyklus. Mluvíme li o mezofylu, máme na mysli buňky se značným obsahem chloroplastů, které jsou umístěny pod pokožkou, tedy epidermem. Pochva cévního svazku je tvořena buňkami, kde se také vyskytují chloroplasty, a její funkce je ochrana cévního svazku.

C4 rostliny jsou poměrně málo zastoupené, tvoří cca 0,4% všech rostlin. Jde o tropické či subtropické a rychle rostoucí rostliny. Příkladem může být kukuřice, bambus, třtina, proso, čirok, laskavec či lebeda.

Principem Hatch-Slackova cyklu je mnohonásobné využití CO₂, nikoliv tedy navazování vícero molekul na ribulózu-1,5-bisfosfát. Tímto cyklem se zrychlí rychlost transportu asimilátů a zároveň se zvyšuje i maximální čistá fotosyntéza, která udává počet molů CO₂ přijatých listovou plochou za jednotku času. Prvním krokem Hatch-Slackova cyklu je reakce fosfoenolpyruvátu s oxidem uhličitým, při které vzniká oxalacetát a uvolňuje se fosfát. Následně se oxalacetát redukuje na malát, čímž se regeneruje vodíkový přenašeč. Tyto dvě reakce probíhají v cytoplazmě mezofylu.
Druhým krokem, který probíhá v buňkách pochvy cévního svazku (v mitochondriích), je dekarboxylace malátu, při které vzniká pyruvát a CO₂, který následně odchází do Calvinova cyklu. Pyruvát se následně regeneruje na fosfoenolpyruvát, což se děje za spotřeby ATP už opět v buňkách mezofylu (chleroplat).

CAM rostliny

CAM rostliny jsou dalším příkladem alternativní temnostní fáze. CAM rostliny jsou bez výjimky sukulenty. Díky biotopu, ve kterém žijí mají přes den zavřené průduchy, aby nedocházelo k nadměrnému vypařování vody, které by vedlo k jejich jistému zániku. CO₂ si tedy musí nashromáždit v noci, kdy je klima pro ně přijatelnější. Přijatý CO₂ uskladňují ve vakuolách jako kyselinu jablečnou, respektive malát. Ve dne pak malát rozkládají na CO₂, který putuje do Calvinova cyklu a na kyselinu pyrohroznovou. Vlastně se jedná o Hatch-Slackův cyklus. Na rozdíl od C4 rostlin ale není Calvinův a Hatch-Slackův cyklus místně oddělené.
Na závěr lze snad jen dodat, že fotosyntéza je proces, jako každý jiný, který se snaží o co největší efektivitu. Rychlost fotosyntézy ovlivňuje nejen typ temnostní fáze, ale i poloha listů. Bylo prokázáno, že vzpřímené listy fotosyntetizují daleko rychleji než listy vodorovné. Na rychlosti se podílí samozřejmě také dospělost listů a jejich počet. Rychlost fotosyntézy také ovlivňuje teplota, množství CO₂, vody a slunečního záření.

Glukoneogeneze, glykogeneze

Glukoneogeneze je proces produkce glukózy z pyruvátu, laktátu, glycerolu a některých aminokyselin (povětšinou se tedy jedná o odpadní produkty). Probíhá v játrech, glukoneogeneze jsou schopné pouze hepatocyty, díky přítomnosti specifických enzymů. Tyto látky se nejprve převádí na PEP, tedy fosfoenolpyruvát, což je energeticky velice bohatá látka, při jejím rozkladu vzniká na 1 molekulu 12 ATP. PEP se poté skládá a tvoří molekulu glukózy. Jelikož je tento proces energeticky náročný, dochází k němu pouze za stavu, kdy má organismus dostatek energie.
Glykogeneze je proces ukládání glukózy do zásob ve svalech a játrech. I toto je energeticky náročné. Při těchto reakcích dochází ke štěpení UTP, nikoli ATP. ATP se zde nevyskytuje, protože bylo zapotřebí, aby se tyto reakce lišili od ostatních a umožnili tak zpětné vazby.