BIO 110-01:  Core Principles of Cell 

and Molecular Biology

Wednesday, Nov. 10

th

  

• Announcements
• Ch. 8:  Photosynthesis

• Announcements

– Exam 3 -  November 15

th

 (Monday)

•  Chapters 5, 6, and 7

Carbon Fixation Reactions

Calvin cycle

-biochemical pathway that allows for 

carbon fixation

-occurs in the stroma 
-uses ATP and NADPH as energy 

sources

-incorporates CO

2 

into organic 

molecules

RuBP

3

P

Input:

CO

2

1

Rubisco

3 P

Step      Carbon fixation

3-PGA

6

P

C

ALVIN

CYCLE

1

NADP

+

NADPH

ATP

RuBP

3

6 ADP +P

G3P

P

Input:

CO

2

1

Rubisco

3 P

Step      Carbon fixation

3-PGA

6

P

C

ALVIN

CYCLE

6

6

6

6

P

Step       Reduction

2

2

1

NADPH

ATP

RuBP

3

P

G3P

P

Input:

CO

2

1

Rubisco

3 P

Step      Carbon fixation

3-PGA

6

P

C

ALVIN

CYCLE

6

6

6

6

P

Step       Reduction

2

2

G3P

5

P

3

3

G3P

1

P

Glucose
and other
compounds

Output:

Step       Release of one
molecule of G3P

1

NADP

+

6 ADP +

NADPH

ATP

RuBP

3

P

G3P

P

Input:

CO

2

1

Rubisco

3 P

Step      Carbon fixation

3-PGA

6

P

C

ALVIN

CYCLE

6

6

6

6

P

Step       Reduction

2

2

G3P

5

P

3

3

G3P

1

P

Glucose
and other
compounds

Output:

Step       Release of one
molecule of G3P

1

Step       Regeneration of RuBP

4

4

ATP

3

3 ADP

NADP

+

6 ADP +

Carbon Fixation Reactions

carbon fixation

 – the incorporation of 

CO

2

 into organic molecules

-occurs in the first step of the Calvin cycle

ribulose-bis-phosphate + CO

2

         2(PGA)

5 carbons    1 carbon     3 carbons

The reaction is catalyzed by

 rubisco

.

NADP

+

NADPH

ATP

CO

2

+

H

2

O

ADP

P

Electron

transport

chains

Thylakoid

membranes

Light

Chloroplast

O

2

C

ALVIN

C

YCLE

(in stroma)

Sugars

Photosystem II

Photosystem I

L

IGHT

 R

EACTIONS

RuBP

3-PGA

C

ALVIN

 C

YCLE

Stroma

G3P

Cellular

respiration
Cellulose
Starch
Other organic

compounds

Carbon Fixation Reactions

To build carbohydrates, cells need:
1. energy

-ATP from light-dependent reactions

2. reduction potential

-NADPH from photosystem I

Carbon Fixation Reactions

Calvin cycle

-biochemical pathway that allows for 

carbon fixation

-occurs in the stroma 
-uses ATP and NADPH as energy 

sources

-incorporates CO

2 

into organic 

molecules

Carbon Fixation Reactions

carbon fixation

 – the incorporation of 

CO

2

 into organic molecules

-occurs in the first step of the Calvin cycle

ribulose-bis-phosphate + CO

2

         2(PGA)

5 carbons    1 carbon     3 carbons

The reaction is catalyzed by

 rubisco

.

Carbon Fixation Reactions

The Calvin cycle has 3 phases:
1. carbon fixation

RuBP + CO

2

  

   2 molecules PGA

2. reduction

PGA is reduced to G3P

3. regeneration of RuBP

G3P is used to regenerate RuBP

Carbon Fixation Reactions

Glucose is not a direct product of the 

Calvin cycle.

-2 molecules of G3P leave the cycle
-each G3P contains 3 carbons
-2 G3P are used to produce 1 glucose 

in reactions in the cytoplasm

Carbon Fixation Reactions

During the Calvin cycle, energy is 

needed.  The energy is supplied 
from:

- 18 ATP molecules
- 12 NADPH molecules

Carbon Fixation Reactions

The energy cycle:

-photosynthesis uses the products of 

respiration as starting substrates

-respiration uses the products of 

photosynthesis as starting substrates

Photorespiration

Rubisco has 2 enzymatic activities:
1. carboxylation – the addition of CO

2

 to 

RuBP
-favored under normal conditions

2. 

photorespiration

 – the oxidation of 

RuBP by the addition of O

2

-favored in hot conditions

CO

2

 and O

2

 compete for the active site on 

RuBP.

Photorespiration

Some plants can avoid photorespiration by 

using an enzyme other than rubisco.

-

PEP carboxylase

 

-CO

2

 is added to phosphoenolpyruvate 

(PEP)

-a 4 carbon compound is produced
-CO

2

 is later released from this 4-carbon 

compound and used by rubisco in the 
Calvin cycle

Photorespiration

C

4

 plants

-use PEP carboxylase to capture CO

2

-CO

2

 is added to PEP in one cell type 

(mesophyll cell)

-the resulting 4-carbon compound is 

moved into a bundle sheath cell 
where the CO

2

 is released and used 

in the Calvin cycle

Photorespiration

CAM plants

-CO

2

 is captured at night when stomata are 

open

-PEP carboxylase adds CO

2

 to PEP to 

produce a 4 carbon compound

-this compound releases CO

2

 during the 

day 

-CO

2

 is then used by rubisco in the Calvin 

cycle