tanulási célok
e szakasz végére képes lesz arra, hogy:
- írja le a Calvin-ciklust
- határozza meg a szén rögzítését
- magyarázza el, hogyan működik a fotoszintézis az összes élő szervezet energiaciklusában
miután a nap energiáját átalakították és ATP-be és NADPH-ba csomagolták, a sejt képes lesz arra, hogy: az élelmiszer Szénhidrátmolekulák formájában történő felépítéséhez szükséges üzemanyag. Az előállított szénhidrátmolekulák szénatomokból állnak. Honnan származik a szén? A szénhidrátmolekulák építéséhez használt szénatomok szén-dioxidból származnak, az a gáz, amelyet az állatok minden lélegzettel kilégeznek. A Calvin-ciklus a fotoszintézis reakcióira használt kifejezés, amely a fényfüggő reakciók által tárolt energiát glükóz és más szénhidrátmolekulák előállítására használja fel.
A Calvin-ciklus kölcsönhatásai
1.ábra. A fényfüggő reakciók a nap energiáját használják fel ATP és NADPH előállítására. Ezek az energiát hordozó molekulák a sztrómába utaznak, ahol a Calvin-ciklus reakciói zajlanak.
növényekben a szén—dioxid (CO2) a sztómán keresztül jut be a kloroplasztba, és diffundál a kloroplaszt sztrómájába-a Calvin-ciklus reakcióinak helyére, ahol a cukrot szintetizálják. A reakciókat annak a tudósnak nevezték el, aki felfedezte őket, és hivatkoznak arra a tényre, hogy a reakciók ciklusként működnek. Mások Calvin-Benson ciklusnak hívják, hogy felvegyék a felfedezésében részt vevő másik tudós nevét (1.ábra).
a Calvin-ciklus reakciói (2.ábra) három alapvető szakaszra oszthatók: fixálás, redukció és regeneráció. A sztrómában a CO2 mellett két másik vegyi anyag is jelen van a Calvin-ciklus elindításához: egy enzim rövidítve Rubiscoés a molekula ribulóz-biszfoszfát (RuBP). A RuBP mindkét végén öt szénatomot és egy foszfátcsoportot tartalmaz.
a RuBisCO katalizálja a CO2 és a RuBP közötti reakciót, amely egy hat szénatomos vegyületet képez, amely azonnal két három szénatomos vegyületté alakul. Ezt a folyamatot szén-rögzítésnek nevezzük, mivel a CO2 szervetlen formájából szerves molekulákká “rögzül”.
az ATP és a NADPH a tárolt energiájukat arra használják, hogy a három szénatomos vegyületet, a 3-PGA-t egy másik három szénatomos vegyületté, G3P-vé alakítsák át. ezt a fajta reakciót redukciós reakciónak nevezzük, mert magában foglalja az elektronok nyereségét. A redukció egy elektron nyeresége egy atom vagy molekula által. A redukciós reakcióból származó ADP és NAD + molekulák visszatérnek a fényfüggő reakciókhoz, hogy újra energiát kapjanak.
az egyik g3p molekula elhagyja a Calvin-ciklust, hogy hozzájáruljon a szénhidrátmolekula kialakulásához, amely általában glükóz (C6H12O6). Mivel a szénhidrátmolekulának hat szénatomja van, a Calvin-ciklus hat fordulata szükséges ahhoz, hogy egy szénhidrátmolekulát (minden rögzített szén-dioxid-molekulához egyet) készítsen. A fennmaradó g3p molekulák regenerálják a RuBP-t, ami lehetővé teszi a rendszer számára, hogy felkészüljön a szén-rögzítési lépésre. Az ATP-t a RuBP regenerációjában is használják.
2.ábra. A Calvin-ciklusnak három szakasza van. Az 1. szakaszban a RuBisCO enzim szén-dioxidot tartalmaz egy szerves molekulába. A 2. szakaszban a szerves molekula csökken. A 3. szakaszban a RuBP, a ciklust elindító molekula regenerálódik, hogy a ciklus folytatódhasson.
összefoglalva, a Calvin-ciklus hat fordulata szükséges ahhoz, hogy hat szénatomot rögzítsen a CO-BÓL2. Ehhez a hat fordulathoz 12 ATP-molekula és 12 NADPH-molekula energiabevitelére van szükség a redukciós lépésben, és 6 ATP-molekula a regenerációs lépésben.
koncepció működés közben
nézze meg a Calvin-ciklus animációját. Kattintson a Stage 1, Stage 2, majd Stage 3 látni G3P és ATP regenerálódni alkotnak RuBP.
evolúció akcióban
fotoszintézis
3.ábra. A sivatag zord körülményei miatt az olyan növények, mint ez a kaktusz, a Calvin-cikluson kívüli reakciók variációit fejlesztették ki. Ezek a variációk növelik a hatékonyságot, és segítenek a víz és az energia megőrzésében. (hitel: Piotr Wojtkowski)
az összes fotoszintetikus organizmus közös evolúciós története szembetűnő, mivel az alapvető folyamat alig változott az idők során. Még az esőerdők óriási trópusi levelei és az apró cianobaktériumok között is a fotoszintézis folyamata és összetevői, amelyek a vizet elektrondonorként használják, nagyrészt ugyanazok maradnak. A fotorendszerek a fény elnyelésére és az elektrontranszport láncok használatára szolgálnak az energia átalakítására. A Calvin-ciklus reakciói szénhidrátmolekulákat állítanak össze ezzel az energiával.
azonban, mint minden biokémiai útvonal esetében, a különböző körülmények változatos adaptációkhoz vezetnek, amelyek befolyásolják az alapmintát. A száraz éghajlatú növényekben a fotoszintézis (3.ábra) olyan adaptációkkal fejlődött ki, amelyek megőrzik a vizet. A kemény, száraz melegben minden csepp vizet és értékes energiát fel kell használni a túléléshez. Az ilyen növényekben két adaptáció alakult ki. Az egyik formában a CO2 hatékonyabb felhasználása lehetővé teszi a növények fotoszintetizálását akkor is, ha a CO2 hiányzik, mint amikor a sztómákat forró napokon bezárják. A másik adaptáció éjszaka a Calvin-ciklus előzetes reakcióit hajtja végre, mivel a sztómák kinyitása ebben az időben a hűvösebb hőmérséklet miatt megőrzi a vizet. Ezenkívül ez az adaptáció lehetővé tette a növények számára, hogy alacsony szintű fotoszintézist végezzenek anélkül, hogy egyáltalán megnyitnák a sztómákat, ez egy szélsőséges mechanizmus a rendkívül száraz időszakokkal szemben.
fotoszintézis prokariótákban
a fotoszintézis két részét—a fényfüggő reakciókat és a Calvin-ciklust—leírták, mivel ezek kloroplasztokban zajlanak. A prokariótákban, például a cianobaktériumokban azonban hiányoznak a membránhoz kötött organellák. A prokarióta fotoszintetikus autotróf organizmusok a klorofill kötődéséhez és a fotoszintézishez a plazmamembrán infoldásaival rendelkeznek (4.ábra). Itt vannak olyan szervezetek, mint a cianobaktériumok, fotoszintézist végezhetnek.
4.ábra. A fotoszintetikus prokarióta a plazmamembrán olyan területeit tartalmazza, amelyek úgy működnek, mint a tilakoidok. Bár ezeket nem tartalmazza egy organelle, például egy kloroplaszt, A fotoszintézis elvégzéséhez szükséges összes komponens jelen van. (hitel: matt Russell skála-sáv adatai)
az energia ciklus
az élőlények szénhidrátmolekulák lebontásával férnek hozzá az energiához. Ha azonban a növények szénhidrátmolekulákat állítanak elő, miért kellene lebontaniuk őket? A szénhidrátok az energia tárolására szolgáló molekulák minden élőlényben. Bár az energia tárolható olyan molekulákban, mint az ATP, a szénhidrátok sokkal stabilabbak és hatékonyabbak a kémiai energia számára. A fotoszintetikus organizmusok a légzés reakcióit is elvégzik a szénhidrátokban tárolt energia betakarítása érdekében, például a növények mitokondriumokkal rendelkeznek a kloroplasztok mellett.
lehet, hogy észrevette, hogy a fotoszintézis általános reakciója:
6CO2+6H2O C6H12O6+6O2
a sejtlégzés általános reakciójának fordítottja:
6O2+C6H12O6 6CO2+6H2O
a fotoszintézis melléktermékként oxigént termel, a légzés pedig melléktermékként szén-dioxidot termel.
a természetben nincs hulladék. Az anyag minden egyes atomja konzerválódik, végtelen ideig újrahasznosul. Az anyagok megváltoztatják a formát, vagy az egyik típusú molekuláról a másikra mozognak, de soha nem tűnnek el (5.ábra).
5.ábra. A szénciklusban a fotoszintézis és a sejtlégzés reakciói kölcsönös reagenseket és termékeket osztanak meg. (hitel: Stuart Bassil munkájának módosítása)
a CO2 nem inkább a légzés által termelt hulladék formája, mint az oxigén a fotoszintézis hulladékterméke. Mindkettő olyan reakciók mellékterméke, amelyek más reakciókra lépnek. A fotoszintézis elnyeli az energiát, hogy szénhidrátokat építsen a kloroplasztokban, az aerob sejtlégzés pedig energiát szabadít fel azáltal, hogy oxigént használ fel a szénhidrátok lebontására a mitokondriumokban. Mindkét organella elektrontranszport láncokat használ az egyéb reakciók meghajtásához szükséges energia előállításához. A fotoszintézis és a sejtlégzés egy biológiai ciklusban működik, lehetővé téve az organizmusok számára az életfenntartó energiához való hozzáférést, amely több millió mérföldnyire származik egy csillagból.
szakasz összefoglalása
a fotoszintézis első szakaszában kialakult energiahordozók felhasználásával a Calvin-ciklus reakciói rögzítik a CO2-t a környezetből, hogy szénhidrátmolekulákat építsenek. Egy enzim, a RuBisCO katalizálja a rögzítési reakciót a CO2 RuBP-vel való kombinálásával. A kapott hat szénatomos vegyületet két három szénatomos vegyületre bontják, és az ATP és a NADPH energiáját arra használják, hogy ezeket a molekulákat G3P-vé alakítsák. a g3p három szénatomos molekuláinak egyike elhagyja a ciklust, hogy egy szénhidrátmolekula részévé váljon. A fennmaradó g3p molekulák a ciklusban maradnak, hogy Visszaalakuljanak RuBP – be, amely készen áll arra, hogy több Co-val reagáljon 2. A fotoszintézis kiegyensúlyozott energiaciklust képez a sejtlégzés folyamatával. A növények képesek mind a fotoszintézisre, mind a sejtes légzésre, mivel mind kloroplasztokat, mind mitokondriumokat tartalmaznak.
további önellenőrzési kérdések
1.A Calvin-ciklus melyik részét érintené, ha egy sejt nem tudná előállítani a RuBisCO enzimet?
2. Magyarázza el a fotoszintézis és a légzés nettó kémiai reakcióinak kölcsönös jellegét.
válaszok
1. A ciklus egyikére sem kerülhet sor, mert a RuBisCO elengedhetetlen a szén-dioxid rögzítéséhez. Pontosabban, a RuBisCO katalizálja a szén-dioxid és a RuBP közötti reakciót a ciklus elején.
2. A fotoszintézis a napfény energiáját veszi fel, és egyesíti a vizet és a szén-dioxidot, hogy cukrot és oxigént termeljen hulladékként. A légzés reakciói cukrot és oxigént fogyasztanak, hogy szén-dioxiddá és vízzé bontsák, energiát szabadítva fel. Így a fotoszintézis reagensei a légzés termékei, és fordítva.