obiective de învățare
până la sfârșitul acestei secțiuni, veți putea:
- descrieți ciclul Calvin
- definiți fixarea carbonului
- explicați modul în care funcționează fotosinteza în ciclul energetic al tuturor organismelor vii
după ce energia de la soare este transformată și ambalată în ATP și NADPH, celula combustibilul necesar pentru a construi alimente sub formă de molecule de carbohidrați. Moleculele de carbohidrați fabricate vor avea o coloană vertebrală de atomi de carbon. De unde provine carbonul? Atomii de carbon folosiți pentru a construi molecule de carbohidrați provin din dioxid de carbon, gazul pe care animalele îl expiră cu fiecare respirație. Ciclul Calvin este termenul folosit pentru reacțiile fotosintezei care utilizează energia stocată de reacțiile dependente de lumină pentru a forma glucoză și alte molecule de carbohidrați.
Inter-lucrările ciclului Calvin
Figura 1. Reacțiile dependente de lumină valorifică energia de la soare pentru a produce ATP și NADPH. Aceste molecule purtătoare de energie călătoresc în stroma unde au loc reacțiile ciclului Calvin.
în plante, dioxidul de carbon (CO2) intră în cloroplast prin stomate și se difuzează în stroma cloroplastului—locul reacțiilor ciclului Calvin în care se sintetizează zahărul. Reacțiile sunt numite după omul de știință care le-a descoperit și fac referire la faptul că reacțiile funcționează ca un ciclu. Alții îl numesc ciclul Calvin-Benson pentru a include numele unui alt om de știință implicat în descoperirea sa (Figura 1).
reacțiile ciclului Calvin (Figura 2) pot fi organizate în trei etape de bază: fixare, reducere și regenerare. În stroma, pe lângă CO2, alte două substanțe chimice sunt prezente pentru a iniția ciclul Calvin: o enzimă abreviată RuBisCO și molecula bisfosfat de ribuloză (RuBP). RuBP are cinci atomi de carbon și o grupare fosfat la fiecare capăt.
RuBisCO catalizează o reacție între CO2 și RuBP, care formează un compus cu șase atomi de carbon care este imediat transformat în doi compuși cu trei atomi de carbon. Acest proces se numește fixarea carbonului, deoarece CO2 este” fixat ” din forma sa anorganică în molecule organice.
ATP și NADPH își folosesc energia stocată pentru a converti compusul cu trei atomi de carbon, 3-PGA, într-un alt compus cu trei atomi de carbon numit G3P. acest tip de reacție se numește reacție de reducere, deoarece implică câștigul de electroni. O reducere este câștigul unui electron de către un atom sau moleculă. Moleculele ADP și NAD+, rezultate din reacția de reducere, revin la reacțiile dependente de lumină pentru a fi re-energizate.
una dintre moleculele G3P părăsește ciclul Calvin pentru a contribui la formarea moleculei de carbohidrați, care este de obicei glucoză (C6H12O6). Deoarece molecula de carbohidrați are șase atomi de carbon, este nevoie de șase rotații ale ciclului Calvin pentru a face o moleculă de carbohidrați (una pentru fiecare moleculă de dioxid de carbon fixă). Moleculele G3P rămase regenerează RuBP, ceea ce permite sistemului să se pregătească pentru etapa de fixare a carbonului. ATP este, de asemenea, utilizat în regenerarea RuBP.
Figura 2. Ciclul Calvin are trei etape. În etapa 1, enzima RuBisCO încorporează dioxidul de carbon într-o moleculă organică. În etapa 2, molecula organică este redusă. În etapa 3, RuBP, molecula care începe ciclul, este regenerată astfel încât ciclul să poată continua.
în rezumat, este nevoie de șase rotații ale ciclului Calvin pentru a fixa șase atomi de carbon din CO2. Aceste șase rotații necesită energie de la 12 molecule ATP și 12 molecule NADPH în etapa de reducere și 6 molecule ATP în etapa de regenerare.
Concept în acțiune
vedeți această animație a ciclului Calvin. Faceți clic pe Etapa 1, Etapa 2, și apoi etapa 3 pentru a vedea G3P și ATP regenera pentru a forma RuBP.
evoluție în acțiune
fotosinteză
Figura 3. A trăi în condițiile dure ale deșertului a determinat plante ca acest cactus să evolueze variații ale reacțiilor în afara ciclului Calvin. Aceste variații cresc eficiența și ajută la conservarea apei și a energiei. (credit: Piotr Wojtkowski)
istoria evolutivă comună a tuturor organismelor fotosintetice este evidentă, deoarece procesul de bază s-a schimbat puțin în epoci de timp. Chiar și între frunzele tropicale uriașe din pădurea tropicală și cianobacteriile minuscule, procesul și componentele fotosintezei care folosesc apa ca donator de electroni rămân în mare parte aceleași. Fotosistemele funcționează pentru a absorbi lumina și pentru a utiliza lanțurile de transport de electroni pentru a converti energia. Reacțiile ciclului Calvin asamblează molecule de carbohidrați cu această energie.cu toate acestea, ca și în cazul tuturor căilor biochimice, o varietate de condiții duce la adaptări variate care afectează modelul de bază. Fotosinteza la plantele cu climă uscată (Figura 3) a evoluat cu adaptări care conservă apa. În căldura uscată dură, fiecare picătură de apă și energie prețioasă trebuie folosite pentru a supraviețui. Două adaptări au evoluat în astfel de plante. Într-o formă, o utilizare mai eficientă a CO2 permite plantelor să fotosinteze chiar și atunci când CO2 este în cantitate redusă, ca atunci când stomatele sunt închise în zilele toride. Cealaltă adaptare efectuează reacții preliminare ale ciclului Calvin noaptea, deoarece deschiderea stomatelor în acest moment conservă apa din cauza temperaturilor mai reci. În plus, această adaptare a permis plantelor să efectueze niveluri scăzute de fotosinteză fără a deschide deloc stomatele, un mecanism extrem pentru a face față perioadelor extrem de uscate.
fotosinteza în procariote
cele două părți ale fotosintezei—reacțiile dependente de lumină și ciclul Calvin-au fost descrise, deoarece au loc în cloroplaste. Cu toate acestea, procariotele, cum ar fi cianobacteriile, nu au organite legate de membrană. Organismele autotrofice fotosintetice procariote au înfoldări ale membranei plasmatice pentru atașarea clorofilei și fotosinteza (Figura 4). Aici organismele precum cianobacteriile pot efectua fotosinteza.
Figura 4. Un procariot fotosintetic a înfoldate regiuni ale membranei plasmatice care funcționează ca tilacoide. Deși acestea nu sunt conținute într-o organelă, cum ar fi un cloroplast, toate componentele necesare sunt prezente pentru a efectua fotosinteza. (credit: date scale-bar de la Matt Russell)
ciclul energetic
ființele vii accesează energia prin descompunerea moleculelor de carbohidrați. Cu toate acestea, dacă plantele produc molecule de carbohidrați, de ce ar trebui să le descompună? Carbohidrații sunt molecule de stocare a energiei în toate lucrurile vii. Deși energia poate fi stocată în molecule precum ATP, carbohidrații sunt rezervoare mult mai stabile și mai eficiente pentru energia chimică. Organismele fotosintetice efectuează, de asemenea, reacțiile de respirație pentru a recolta energia pe care au stocat-o în carbohidrați, de exemplu, plantele au mitocondrii pe lângă cloroplaste.
s-ar putea să fi observat că reacția generală pentru fotosinteză:
6CO2+6H2O C6H12O6+6O2
este reversul reacției generale pentru respirația celulară:
6O2+C6H12O6 6CO2+6H2O p>
fotosinteza produce oxigen ca produs secundar, iar respirația produce dioxid de carbon ca produs secundar.
în natură, nu există deșeuri. Fiecare atom de materie este conservat, reciclat la nesfârșit. Substanțele își schimbă forma sau trec de la un tip de moleculă la altul, dar nu dispar niciodată (Figura 5).
Figura 5. În ciclul carbonului, reacțiile fotosintezei și respirației celulare împărtășesc reactanți și produse reciproce. (credit: modificarea lucrării de Stuart Bassil)
CO2 nu este mai mult o formă de deșeuri produse prin respirație decât oxigenul este un produs rezidual al fotosintezei. Ambele sunt produse secundare ale reacțiilor care trec la alte reacții. Fotosinteza absoarbe energia pentru a construi carbohidrați în cloroplaste, iar respirația celulară aerobă eliberează energie prin utilizarea oxigenului pentru a descompune carbohidrații din mitocondrii. Ambele organite folosesc lanțuri de transport de electroni pentru a genera energia necesară pentru a conduce alte reacții. Fotosinteza și respirația celulară funcționează într-un ciclu biologic, permițând organismelor să acceseze energia care susține viața care își are originea la milioane de kilometri distanță într-o stea.
Rezumatul secțiunii
folosind purtătorii de energie formați în prima etapă a fotosintezei, reacțiile ciclului Calvin fixează CO2 din mediu pentru a construi molecule de carbohidrați. O enzimă, RuBisCO, catalizează reacția de fixare, Prin combinarea CO2 cu RuBP. Compusul cu șase atomi de carbon rezultat este împărțit în doi compuși cu trei atomi de carbon, iar energia din ATP și NADPH este utilizată pentru a converti aceste molecule în G3P. una dintre moleculele cu trei atomi de carbon din G3P părăsește ciclul pentru a deveni o parte a unei molecule de carbohidrați. Restul moleculelor G3P rămân în ciclu pentru a fi formate înapoi în RuBP, care este gata să reacționeze cu mai mult CO2. Fotosinteza formează un ciclu energetic echilibrat cu procesul de respirație celulară. Plantele sunt capabile atât de fotosinteză, cât și de respirație celulară, deoarece conțin atât cloroplaste, cât și mitocondrii.
întrebări suplimentare de auto-verificare
1.Care parte a ciclului Calvin ar fi afectată dacă o celulă nu ar putea produce enzima RuBisCO?
2. Explicați natura reciprocă a reacțiilor chimice nete pentru fotosinteză și respirație.
răspunsuri
1. Niciunul dintre cicluri nu ar putea avea loc, deoarece RuBisCO este esențial în fixarea dioxidului de carbon. Mai exact, RuBisCO catalizează reacția dintre dioxidul de carbon și RuBP la începutul ciclului.
2. Fotosinteza ia energia luminii solare și combină apa și dioxidul de carbon pentru a produce zahăr și oxigen ca produs rezidual. Reacțiile respirației iau zahăr și consumă oxigen pentru a-l descompune în dioxid de carbon și apă, eliberând energie. Astfel, reactanții fotosintezei sunt produsele respirației și invers.