Cíle Vzdělávání
na konci této části, budete moci:
- Popsat Calvinově cyklu
- Definovat fixaci uhlíku
- Vysvětlete, jak fotosyntéza pracuje v energetické cyklus všech živých organismů
Po energii ze slunce se přemění a zabaleny do ATP a NADPH, buňka má palivo potřebné k vybudování jídlo v podobě sacharidů molekuly. Vyrobené molekuly uhlohydrátů budou mít páteř atomů uhlíku. Odkud pochází uhlík? Atomy uhlíku používané k vytváření molekul uhlohydrátů pocházejí z oxidu uhličitého, plynu, který Zvířata vydechují každým dechem. Calvinův cyklus je termín používaný pro reakce fotosyntézy, které využívají energii uloženou ve světle reakce závislé na formě glukózy a jiných sacharidů molekuly.
propojení Calvinova cyklu
Obrázek 1. Reakce závislé na světle využívají energii ze Slunce k produkci ATP a NADPH. Tyto molekuly nesoucí energii cestují do stromy, kde probíhají reakce Calvinova cyklu.
v rostlinách vstupuje oxid uhličitý (CO2) do chloroplastu přes průduchy a difunduje do stroma chloroplastu-místa reakcí Calvinova cyklu, kde se syntetizuje cukr. Reakce jsou pojmenovány podle vědce, který je objevil, a odkazují na skutečnost, že reakce fungují jako cyklus. Jiní to nazývají Calvin-Bensonův cyklus, který zahrnuje jméno jiného vědce zapojeného do jeho objevu (Obrázek 1).
reakce Calvinova cyklu (Obrázek 2) lze uspořádat do tří základních fází: fixace, redukce a regenerace. Ve stromatu jsou kromě CO2 přítomny další dvě chemikálie, které iniciují Calvinův cyklus: enzym zkráceně RuBisCO a molekula ribulóza bisfosfát (RuBP). RuBP má na každém konci pět atomů uhlíku a fosfátovou skupinu.
RuBisCO katalyzuje reakce mezi CO2 a RuBP, který tvoří šest-uhlíková sloučenina, která je okamžitě přeměněn na dvě tříuhlíkaté sloučeniny. Tento proces se nazývá fixace uhlíku, protože CO2 je „fixován“ ze své anorganické formy na organické molekuly.
ATP a NADPH používat své uložené energie pro převod tří uhlíková sloučenina, 3-PGA, do dalších tří uhlíková sloučenina nazvat G3P. Tento typ reakce se nazývá redukční reakce, protože se jedná o získání elektronů. Redukce je zisk elektronu atomem nebo molekulou. Molekuly ADP a NAD+, které jsou výsledkem redukční reakce, se vracejí k reakcím závislým na světle, které mají být znovu pod napětím.
jedna z molekul G3P opouští Calvinův cyklus, aby přispěla k tvorbě molekuly uhlohydrátů, což je obvykle glukóza (C6H12O6). Protože molekula uhlohydrátů má šest atomů uhlíku, trvá šest otáček Calvinova cyklu, aby se vytvořila jedna molekula uhlohydrátů (jedna pro každou molekulu oxidu uhličitého pevná). Zbývající molekuly G3P regenerují RuBP, což umožňuje systému připravit se na krok fixace uhlíku. ATP se také používá při regeneraci RuBP.
Obrázek 2. Calvinův cyklus má tři fáze. Ve fázi 1 enzym RuBisCO začleňuje oxid uhličitý do organické molekuly. Ve fázi 2 se organická molekula sníží. Ve fázi 3 se RuBP, molekula, která zahajuje cyklus, regeneruje, takže cyklus může pokračovat.
stručně řečeno, k fixaci šesti atomů uhlíku z CO2 trvá šest otáček Calvinova cyklu. Těchto šest otáček vyžaduje vstup energie z 12 molekul ATP a 12 molekul NADPH v redukčním kroku a 6 molekul ATP v regeneračním kroku.
koncept v akci
podívejte se na tuto animaci Calvinova cyklu. Klikněte na stupeň 1, stupeň 2 a poté na stupeň 3, abyste viděli regeneraci G3P a ATP a vytvořili RuBP.
Evoluce v Akci
Fotosyntéza
Obrázek 3. Život v drsných podmínkách pouště vedl rostliny, jako je tento kaktus, k vývoji variací reakcí mimo Calvinův cyklus. Tyto varianty zvyšují účinnost a pomáhají šetřit vodu a energii. (úvěra: Piotr Wojtkowski)
sdílená evoluční historie všech fotosyntetických organismů je nápadná, protože základní proces se v průběhu času málo změnil. I mezi obří tropické listy v deštném pralese a drobné sinice, proces a složky fotosyntézy, které používají vodu jako donoru elektronů zůstávají do značné míry stejné. Fotosystémy fungují tak, že absorbují světlo a používají elektronové transportní řetězce k přeměně energie. Reakce Calvinova cyklu sestavují molekuly uhlohydrátů s touto energií.
nicméně, stejně jako u všech biochemických drah, různé podmínky vedou k různým adaptacím, které ovlivňují základní vzorec. Fotosyntéza v rostlinách se suchým podnebím (obrázek 3) se vyvinula s úpravami, které šetří vodu. V drsném suchém žáru musí být každá kapka vody a vzácná energie použita k přežití. V těchto rostlinách se vyvinuly dvě úpravy. V jedné formě efektivnější využití CO2 umožňuje rostlinám fotosyntetizovat, i když je CO2 nedostatek, jako když jsou stomata uzavřena v horkých dnech. Další adaptace provádí předběžné reakce calvinova cyklu v noci, protože otevření průduchů v této době šetří vody v důsledku nižší teploty. Kromě toho, tato úprava umožnila rostliny provádět nízké hladiny fotosyntézy bez otevření průduchů na všech, extrémní mechanismus v tvář extrémně suché období.
fotosyntéza u prokaryot
byly popsány dvě části fotosyntézy – reakce závislé na světle a Calvinův cyklus – jak probíhají v chloroplastech. Prokaryoty, jako jsou sinice, však postrádají organely vázané na membránu. Prokaryotické fotosyntetické autotrofní organismy mají tvar plazmatické membrány pro připojení chlorofylu a fotosyntézu (obrázek 4). Právě zde mohou organismy jako sinice provádět fotosyntézu.
obrázek 4. Fotosyntetická prokaryota infoldovala oblasti plazmatické membrány, které fungují jako tylakoidy. Ačkoli tyto nejsou obsaženy v organelle, jako je chloroplast, jsou přítomny všechny nezbytné složky k provádění fotosyntézy. (credit: scale-bar data od Matta Russella)
energetický cyklus
živé věci přistupují k energii štěpením molekul uhlohydrátů. Pokud však rostliny vytvářejí molekuly uhlohydrátů, proč by je musely rozkládat? Sacharidy jsou akumulační molekuly pro energii ve všech živých věcech. Ačkoli energie může být uložena v molekulách, jako je ATP, sacharidy jsou mnohem stabilnější a účinnější zásobníky chemické energie. Fotosyntetické organismy také provádět reakce dýchání na sklizeň energii, které mají uloženy na sacharidy, například, rostliny mají mitochondrie kromě chloroplasty.
možná Jste si všimli, že celková reakce fotosyntézy.
6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2
je opakem celkové reakce buněčného dýchání,
6O2+C6H12O6→6CO2+6H2O
tato fáze Fotosyntézy produkuje kyslík jako vedlejší produkt, a dýchání produkuje oxid uhličitý jako vedlejší produkt.
V přírodě neexistuje nic jako odpad. Každý jednotlivý atom hmoty je zachován, recyklace na dobu neurčitou. Látky mění formu nebo se pohybují z jednoho typu molekuly do druhého ,ale nikdy nezmizí (obrázek 5).
obrázek 5. V uhlíkovém cyklu sdílejí reakce fotosyntézy a buněčného dýchání vzájemné reaktanty a produkty. (kredit: modifikace práce Stuart Bassil)
CO2 není více forma odpadu produkovaného dýcháním než kyslík je odpadním produktem fotosyntézy. Oba jsou vedlejšími produkty reakcí, které přecházejí k jiným reakcím. Fotosyntézy absorbuje energii k vybudování sacharidů v chloroplastech, a aerobní buněčné dýchání se uvolňuje energie pomocí kyslíku rozkládají sacharidy v mitochondriích. Obě organely používají elektronové transportní řetězce k výrobě energie potřebné k řízení dalších reakcí. Fotosyntéza a buněčné dýchání fungují v biologickém cyklu, umožňující organismům přístup k energii udržující život, která pochází miliony mil daleko ve hvězdě.
Oddíl Shrnutí
Použití nosičů energie tvořil v první fázi fotosyntézy, Calvinův cyklus reakce opravit CO2 z prostředí vybudovat sacharidů molekuly. Enzym RuBisCO katalyzuje fixační reakci kombinací CO2 s RuBP. Výsledný šest-uhlíkové sloučeniny je rozdělena do dvou tří-sloučeniny uhlíku a energie v ATP a NADPH slouží k převodu těchto molekul do G3P. Jeden ze tří uhlíkových molekul G3P odejde cyklu, aby se stal součástí molekuly sacharidů. Zbývající molekuly G3P zůstávají v cyklu, aby se vytvořily zpět do RuBP, který je připraven reagovat s více CO2. Fotosyntéza tvoří vyvážený energetický cyklus s procesem buněčného dýchání. Rostliny jsou schopné fotosyntézy i buněčného dýchání, protože obsahují jak chloroplasty, tak mitochondrie.
další otázky pro vlastní kontrolu
1.Která část Calvinova cyklu by byla ovlivněna, kdyby buňka nemohla produkovat enzym RuBisCO?
2. Vysvětlete vzájemnou povahu čistých chemických reakcí pro fotosyntézu a dýchání.
odpovědi
1. Žádný z cyklu se nemohl uskutečnit, protože RuBisCO je nezbytný při fixaci oxidu uhličitého. Konkrétně RuBisCO katalyzuje reakci mezi oxidem uhličitým a RuBP na začátku cyklu.
2. Fotosyntéza bere energii slunečního světla a kombinuje vodu a oxid uhličitý za vzniku cukru a kyslíku jako odpadního produktu. Reakce dýchání berou cukr a spotřebovávají kyslík, aby se rozložily na oxid uhličitý a vodu a uvolňovaly energii. Reaktanty fotosyntézy jsou tedy produkty dýchání a naopak.