Cykl Calvina (Bensona-Calvina): definicja i rola w fotosyntezie
Cykl Calvina (Bensona-Calvina) — kompletny przewodnik: definicja, etapy i rola w fotosyntezie. Zrozum mechanizm syntezy cukrów w chloroplastach.
Cykl Calvina (znany również jako cykl Bensona-Calvina) to zespół reakcji chemicznych zachodzących w chloroplastach podczas fotosyntezy.
Cykl ten jest niezależny od światła, ponieważ zachodzi po przechwyceniu energii ze światła słonecznego.
Nazwa cyklu Calvina pochodzi od nazwiska Melvina C. Calvina, który w 1961 r. otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za jego odkrycie. Calvin i jego współpracownicy, Andrew Benson i James Bassham, prowadzili prace na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.
Gdzie zachodzi i dlaczego jest „niezależny od światła”
Cykl Calvina przebiega w stromie chloroplastu (w przestrzeni płynnej otaczającej tylakoidy). Nazywa się go często reakcjami niezależnymi od światła, ponieważ same reakcje cyklu nie wymagają bezpośredniego światła. W praktyce jednak cykl zależy od produktów reakcji zależnych od światła — ATP i NADPH — które dostarczają energii i równowagi redoks niezbędnej do przekształcania CO2 w związki organiczne.
Główne etapy cyklu Calvina
- Karboxylacja — do rybulozo-1,5-bisfosforanu (RuBP) przyłącza się CO2. Reakcję katalizuje enzym RuBisCO, powstaje nietrwały produkt, który szybko rozkłada się do dwóch cząsteczek 3-fosfoglicerynianu (3-PGA).
- Redukcja — 3-PGA jest redukowany przy użyciu ATP i NADPH do gliceraldehydu-3-fosforanu (G3P), związku o wyższej zawartości energii, który może być wykorzystany do syntezy sacharydów i innych związków.
- Regeneracja — część G3P jest używana do odbudowy RuBP (rybulozo-1,5-bisfosforanu), co pozwala cyklowi przebiegać dalej i wiązać kolejne cząsteczki CO2.
Produkty i znaczenie biologiczne
Bezpośrednim produktem cyklu jest G3P (gliceraldehyd-3-fosforan), który może być przekształcony w glukozę, sacharozę, skrobię, tłuszcze i inne związki organiczne potrzebne roślinie do wzrostu i magazynowania energii. Cykl Calvina jest podstawowym mechanizmem fiksacji węgla w roślinach C3 i odgrywa kluczową rolę w globalnym obiegu węgla.
Energetyka i stechiometria (podstawowe liczby)
- Do włączenia 3 cząsteczek CO2 i wytworzenia jednej cząsteczki netto G3P potrzeba zazwyczaj około 9 ATP i 6 NADPH (pochodzących z fazy zależnej od światła).
- Aby zsyntetyzować jedną cząsteczkę glukozy (6 atomów węgla) potrzeba 6 CO2 oraz proporcjonalnie więcej energii — około 18 ATP i 12 NADPH.
Enzym kluczowy — RuBisCO i fotorespiracja
RuBisCO (rybulozo-1,5-bisfosforan karboksylaza/oksygenaza) jest najważniejszym enzymem cyklu. Odpowiada za przyłączenie CO2 do RuBP. Niestety ma także aktywność oksygenazową — przyłącza O2 zamiast CO2, co prowadzi do fotorespiracji, procesu zmniejszającego efektywność fotosyntezy, szczególnie przy wysokiej temperaturze i niskim stężeniu CO2. Niektóre rośliny (C4, CAM) mają strategie biochemiczne i anatomiczne minimalizujące straty wskutek fotorespiracji.
Znaczenie historyczne i współczesne
Odkrycie cyklu Calvina było przełomem w zrozumieniu, jak rośliny przekształcają gazowy CO2 w materię organiczną. Prace Calvina, Bensona i Basshama utorowały drogę do badań nad efektywnością fotosyntezy, inżynierią roślin i globalnym bilansem węgla. Współcześnie znajomość mechanizmów cyklu ma zastosowanie w rolnictwie (selekcja odmian o lepszej efektywności fotosyntezy), inżynierii metabolicznej oraz modelowaniu zmian klimatu.
Podsumowanie
Cykl Calvina to centralny zestaw reakcji biochemicznych umożliwiający przekształcenie CO2 w materiały organiczne przy wykorzystaniu energii z ATP i NADPH powstałych w reakcjach zależnych od światła. Jego zrozumienie wyjaśnia, jak rośliny produkują biomolekuły niezbędne do życia na Ziemi i jak proces ten wpływa na globalny obieg węgla.
Cykl Calvina.
Kontekst
Wykorzystując radioaktywny izotop węgla 14 jako znacznik, Calvin, Andrew Benson i ich zespół zmapowali całą drogę, jaką przebywa węgiel w roślinie podczas fotosyntezy. Prześledzili drogę węgla-14 od wchłonięcia atmosferycznego dwutlenku węgla do przekształcenia go w węglowodany i inne związki organiczne. Do śledzenia węgla-14 wykorzystano jednokomórkowy glon Chlorulla.Grupa Calvina wykazała, że światło słoneczne oddziałuje na chlorofil w roślinie, napędzając produkcję związków organicznych, a nie bezpośrednio na dwutlenek węgla, jak wcześniej sądzono.
Kroki
Etapy cyklu są następujące:
1. Chwyt: Pięciowęglowy łapacz węgla zwany RuBP (bisfosforan rybulozy) łapie jedną cząsteczkę dwutlenku węgla i tworzy cząsteczkę sześciowęglową.
2. Rozszczepienie: enzym RuBisCO (przy udziale energii z cząsteczek ATP i NADPH) rozbija sześciowęglową cząsteczkę na dwie równe części.
3. Odejdź: Trio węgli odchodzi i staje się cukrem. Pozostałe trio przechodzi do następnego etapu.
4. Przełączenie: Przy użyciu ATP i NADPH cząsteczka o trzech węglach zostaje zamieniona w cząsteczkę o pięciu węglach.
5. Cykl zaczyna się od nowa.
Produkt
Węglowodanowymi produktami cyklu Calvina są trójwęglowe cząsteczki fosforanów cukrowych, czyli "triozofosforanów glukozy" (G3P). Każdy etap cyklu ma swój własny enzym, który przyspiesza reakcję.
Pytania i odpowiedzi
P: Czym jest cykl Calvina?
O: Cykl Calvina to seria reakcji chemicznych zachodzących w chloroplastach podczas fotosyntezy.
P: Czy cykl Calvina jest zależny czy niezależny od światła?
O: Cykl Calvina jest niezależny od światła, ponieważ zachodzi po przechwyceniu energii słonecznej.
P: Kim jest Melvin C. Calvin?
O: Melvin C. Calvin był chemikiem, który odkrył cykl Calvina i za swoją pracę otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1961 roku.
P: Gdzie Calvin i jego współpracownicy prowadzili badania nad cyklem Calvina?
O: Calvin i jego współpracownicy, Andrew Benson i James Bassham, pracowali nad cyklem Calvina na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.
P: Kiedy po raz pierwszy odkryto cykl Calvina?
O: Cykl Calvina został odkryty w 1961 roku przez Melvina C. Calvina i jego współpracowników.
P: Jakie jest znaczenie cyklu Calvina w fotosyntezie?
O: Cykl Calvina odgrywa kluczową rolę w fotosyntezie, przekształcając dwutlenek węgla w glukozę, która jest głównym źródłem energii dla roślin.
P: Jaka jest inna nazwa cyklu Calvina?
O: Cykl Calvina jest również znany jako cykl Bensona-Calvina.
Przeszukaj encyklopedię