Πού εμφανίζεται ο κύκλος Calvin;

Ο Κύκλος Calvin εμφανίζεται στο στρώμα ενός χλωροπλάστη σε ένα φυτικό κύτταρο. Το στρώμα είναι το άχρωμο υγρό που περιβάλλει τη γρανάδα του χλωροπλάστη, όπου λαμβάνει χώρα το πρώτο βήμα της φωτοσύνθεσης.

Όταν σκέφτεστε τα μαθήματα που πήρατε στο μάθημα των Φυσικών Επιστημών του Λυκείου, η λέξη «φωτοσύνθεση» είναι πολύ δύσκολο να ξεχαστεί. Εξάλλου, αυτή η διαδικασία με την οποία τα φυτά δημιουργούν τροφή μέσω διοξειδίου του άνθρακα και νερού, εκτός από την παραγωγή του οξυγόνου που χρειάζονται τόσες πολλές μορφές ζωής στον πλανήτη για να επιβιώσουν. Ωστόσο, οι λεπτομέρειες της διαδικασίας μπορεί να είναι λίγο ασαφείς, καθώς και οι τοποθεσίες μέσα στα φυτά όπου λαμβάνουν χώρα αυτές οι κρίσιμες φωτοσυνθετικές αντιδράσεις.

Στο απλούστερο επίπεδο, η φωτοσύνθεση λαμβάνει χώρα σε δύο στάδια—τις αντιδράσεις που εξαρτώνται από το φως και τις ανεξάρτητες από το φως αντιδράσεις, η τελευταία από τις οποίες είναι επίσης γνωστή ως Κύκλος Calvin. Γνωρίζουμε ότι και τα δύο αυτά στάδια είναι απαραίτητα για την παραγωγή οξυγόνου και την παραγωγή τροφής για τα φυτά, αλλά πού συμβαίνει όλη αυτή η βιολογική μαγεία;

Φωτοσύνθεση

Όπως πιθανότατα γνωρίζετε, όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί χρειάζονται ενέργεια για να λειτουργήσουν. Από τις τεράστιες μπλε φάλαινες μέχρι τις μικρότερες κηλίδες φυκιών, οι ζωντανοί οργανισμοί πρέπει να τροφοδοτούν τον μεταβολισμό τους με κάποιο τρόπο. Εδώ μπαίνουν στο παιχνίδι οι τροφικές αλυσίδες, με κορυφαίους θηρευτές και σαρκοφάγα, που υποστηρίζονται από φυτοφάγα, που παίρνουν την ενέργειά τους από οργανική φυτική ύλη. Ωστόσο, τα φυτά είναι επίσης ζωντανοί οργανισμοί που απαιτούν «τροφή» για να παραμείνουν ζωντανοί, αν και δεν έχουν τη μορφή παντοπωλείου όπως εμείς. Η ενέργεια που αποθηκεύεται στο φυτικό υλικό προέρχεται από τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, η οποία μετατρέπει την φωτεινή ενέργεια από τον ήλιο, σε συνδυασμό με διοξείδιο του άνθρακα και νερό.

Η φωτοσύνθεση εκτελείται από φυτά, φύκια και κυανοβακτήρια, τα οποία είναι γνωστά ως φωτοαυτοτροφικά , καθώς είναι σε θέση να τρέφονται χρησιμοποιώντας φως! Αυτοί οι οργανισμοί που τρέφονται με άλλους οργανισμούς για τροφή είναι γνωστοί ως ετερότροφοι. Η διαδικασία της φωτοσύνθεσης είναι αρκετά περίπλοκη και έχει πολλά στάδια, αλλά μπορεί να απλοποιηθεί σε μια γενική εξίσωση—6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2. Για όσους τα καταφέρνουν καλύτερα με τις λέξεις παρά τις εξισώσεις, 6 μόρια διοξειδίου του άνθρακα από τον αέρα + 6 μόρια υδρογόνου από το αγγειακό σύστημα ενός φυτού + ενέργεια από το ηλιακό φως μετατρέπονται σε 1 μόριο γλυκεραλδεΰδης-3-φωσφορικής (ένας απλός υδατάνθρακας) και 6 μόρια οξυγόνου.

Η όλη διαδικασία της φωτοσύνθεσης λαμβάνει χώρα μέσα στους χλωροπλάστες, που βρίσκονται στα φύλλα των φυτών, τα οποία περιέχουν επίσης χλωροφύλλη—μια πράσινη χρωστική ουσία στα φυτά (αποθηκευμένη στο θυλακοειδή) που είναι ικανή να συλλαμβάνει την φωτεινή ενέργεια από τον ήλιο. Η μεσόφυλλη είναι η μεσαία στιβάδα των κυττάρων σε ένα φύλλο και το μεγαλύτερο μέρος του χλωροπλάστου βρίσκεται στην ανώτερη περιοχή (το παλίνιο στρώμα) αυτών των κυττάρων. Τα στόμια είναι οι πόροι ή οι μικρές τρύπες, συνήθως στην κάτω πλευρά του φύλλου, όπου μπορεί να πραγματοποιηθεί ανταλλαγή αερίων. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο λαμβάνεται το διοξείδιο του άνθρακα στα φύλλα για το ρόλο του στη φωτοσύνθεση και όπου το οξυγόνο απελευθερώνεται ως υποπροϊόν της φωτοσύνθεσης.

Το πρώτο στάδιο της φωτοσύνθεσης, όπως σημειώθηκε παραπάνω, αναφέρεται ως αντιδράσεις που εξαρτώνται από το φως. Αυτό το πρώτο βήμα στη φωτοσύνθεση αποτελείται από το ηλιακό φως που απορροφάται από τη χλωροφύλλη στη θυλακοειδή μεμβράνη του χλωροπλάστη. Αυτή η φωτεινή ενέργεια στη συνέχεια μετατρέπεται σε χημική ενέργεια με τη μορφή NADPH (νικοτιναμιδική αδενίνη δινουκλεοτιδική φωσφορική) και ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη - το πρωτογενές ενεργειακό νόμισμα των ζωντανών κυττάρων). Αυτή η μετατροπή λαμβάνει χώρα σε μια σειρά πρωτεϊνικών συμπλεγμάτων που ονομάζονται φωτοσυστήματα. Αυτά τα φωτοσυστήματα διεγείρουν ηλεκτρόνια, τα οποία στη συνέχεια μεταφέρονται από μόρια που μεταφέρουν ενέργεια για να τροφοδοτήσουν το δεύτερο στάδιο της φωτοσύνθεσης, το οποίο θα εξηγηθεί παρακάτω. Μια πλήρης, λεπτομερής επεξήγηση των φωτοσυστημάτων I και II, και των συνολικών αντιδράσεων που εξαρτώνται από το φως, μπορείτε να βρείτε εδώ.

Ο κύκλος του Calvin

Μετά τις αντιδράσεις που εξαρτώνται από το φως, μόλις δημιουργηθούν το NADPH και το ATP, μπορεί να ξεκινήσει το δεύτερο στάδιο της φωτοσύνθεσης. Αυτές οι ανεξάρτητες από το φως αντιδράσεις είναι επίσης γνωστές ως σκοτεινές αντιδράσεις (επειδή το φως δεν είναι αντιδρών) ή Κύκλος Calvin.

(Φωτογραφία :Designua/Shutterstock)

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, το διοξείδιο του άνθρακα προσλαμβάνεται μέσω των στομάτων των φυτών και μετακινείται στο στρώμα του χλωροπλάστη. Ο άνθρακας από το διοξείδιο του άνθρακα «σταθεροποιείται» κατά τη διάρκεια του Κύκλου Calvin, επιτρέποντας τη σύνθεση των σακχάρων. Ακριβώς όπως η φωτοσύνθεση μπορεί να αναλυθεί σε δύο κύρια στάδια, έτσι και ο κύκλος του Calvin μπορεί επίσης να υποδιαιρεθεί σε τρία μέρη - στερέωση άνθρακα, αναγωγή και αναγέννηση - τα οποία λαμβάνουν χώρα στον εσωτερικό χώρο των χλωροπλαστών, το στρώμα δυνατός> .

Στερέωση άνθρακα

Ένα μόριο διοξειδίου του άνθρακα συνδέεται με ένα μόριο δέκτη 5 άνθρακα (RuBP) για να σχηματίσει ένα μόριο έξι άνθρακα. Αυτό γρήγορα διαιρείται σε δύο μόρια 3 άνθρακα (3-φωσφογλυκερικό οξύ), που καταλύονται από το ένζυμο rubisco, που κάποιοι πιστεύουν ότι είναι η πιο άφθονη πρωτεΐνη στη Γη! Κατά τη διάρκεια αυτού του βήματος, 6 μόρια ATP μετατρέπονται σε ADP.

Μείωση

Το ATP και το NADPH που δημιουργούνται στις εξαρτώμενες από το φως αντιδράσεις χρησιμοποιούνται τώρα για τη μετατροπή των δύο μορίων 3-φωσφογλυκερικού οξέος σε δύο μόρια 3-φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης, τα οποία είναι σάκχαρα 3 άνθρακα. Κατά τη διάρκεια αυτού του βήματος, 6 NADPH μετατρέπονται σε 6 NADP+ λόγω της διαδικασίας αναγωγής (δωρεά ηλεκτρονίου) που δημιουργεί τα σάκχαρα 3 άνθρακα (G3P).

Αναγέννηση

Σε αυτό το τρίτο βήμα του Κύκλου Calvin, μερικά από τα μόρια G3P θα συνεχίσουν να παράγουν γλυκόζη, ενώ τα περισσότερα θα αναγεννηθούν για να παράγουν RuBP, το μόριο αποδέκτη του διοξειδίου του άνθρακα. Αν θυμάστε την εξίσωση για τη φωτοσύνθεση που περιγράφηκε παραπάνω, έξι μόρια διοξειδίου του άνθρακα σημειώθηκαν ως το βασικό αντιδραστήριο. Αυτό συμβαίνει επειδή απαιτούνται έξι στροφές του Κύκλου Calvin για να παραχθεί ένα μόνο μόριο γλυκόζης (που αποτελείται από δύο μόρια G3P). Σε έξι στροφές του Κύκλου Calvin, δύο μόρια G3P θα βγουν από τον κύκλο, ενώ 10 μόρια G3P θα αναγεννηθούν/ανακυκλωθούν σε RuBP, ώστε αυτός ο ουσιαστικός κύκλος να μπορεί να συνεχιστεί!

Μια τελευταία λέξη

Όταν κοιτάτε ένα φύλλο σε ένα δέντρο, μπορεί να μην συνειδητοποιήσετε τις πολύπλοκες εσωτερικές λειτουργίες που καθιστούν δυνατή την επιβίωση της ζωής σε αυτόν τον πλανήτη. Αυτά τα φύλλα περιέχουν το στρώμα μεσοφύλλης των κυττάρων, όπου περιέχονται οι χλωροπλάστες, όπου το στρώμα παρέχει το χώρο για να πραγματοποιηθούν οι ανεξάρτητες από το φως αντιδράσεις. Αυτά τα ίδια φύλλα έχουν επίσης στομίες στην κάτω πλευρά τους, προσεκτικά ρυθμισμένους πόρους που προσλαμβάνουν το διοξείδιο του άνθρακα που απαιτείται για τον κύκλο του Calvin και απελευθερώνουν το υποπροϊόν οξυγόνου που μας επιτρέπει να αναπνέουμε και να επιβιώσουμε!