Κύκλος Calvin:Αντιδράσεις, Διάγραμμα και Συχνές Ερωτήσεις

Κύκλος Calvin

Όλοι οι οργανισμοί στη Γη, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων, είναι μορφές ζωής με βάση τον άνθρακα. Τα πολύπλοκα μόρια του εκπληκτικού ανθρώπινου σώματος είναι χτισμένα σε ραχοκοκαλιά άνθρακα. Υπάρχει περίπτωση να γνωρίζετε ήδη ότι βασίζεστε στον άνθρακα, αλλά έχετε σκεφτεί ποτέ από πού προέρχεται όλος αυτός ο άνθρακας;

Τα άτομα άνθρακα στο σώμα σας ήταν μέρος του διοξειδίου του άνθρακα (CO₂ ) μόρια στον αέρα πριν από πολύ καιρό. Τα άτομα άνθρακα εισέρχονται σε εσάς και σε άλλες μορφές ζωής από το δεύτερο στάδιο της φωτοσύνθεσης που ονομάζεται κύκλος Calvin.

Τι είναι ο κύκλος Calvin;

Το διοξείδιο του άνθρακα στα φυτά περνά στο εσωτερικό ενός φύλλου μέσω των πόρων που είναι γνωστοί ως στομία και πηγαίνει στο στρώμα του χλωροπλάστη - το μέρος των αντιδράσεων του κύκλου Calvin, όπου παράγεται η ζάχαρη. Αυτές οι αντιδράσεις είναι επίσης γνωστές ως ανεξάρτητες από το φως καθώς δεν οδηγούνται απευθείας από το φως.

Στον κύκλο του Calvin, τα άτομα άνθρακα είναι σταθερά (ενσωματωμένα σε οργανικά μόρια) και μπορούν να δημιουργήσουν σάκχαρα που περιέχουν τρία άτομα άνθρακα.

Αυτή η διαδικασία εξαρτάται και διευκολύνεται από το ATP και το NADPH που προέρχονται από τις αντιδράσεις φωτός. Σε αντίθεση με τις αντιδράσεις φωτός στη θυλακοειδή μεμβράνη, οι αντιδράσεις του κύκλου Calvin συμβαίνουν στο στρώμα ή στο εσωτερικό των χλωροπλαστών (διάγραμμα κύκλου Calvin παρακάτω).

Αντιδράσεις του κύκλου Calvin

Οι αντιδράσεις του κύκλου Calvin μπορούν να χωριστούν σε τρία κύρια στάδια: 

1. Στερέωση άνθρακα
2. Αποκατάσταση άνθρακα 
3. Αποκατάσταση του μορίου με το οποίο ξεκίνησε η αντίδραση.

Ακολουθεί ένα γενικό διάγραμμα κύκλου Calvin:

1. Στερέωση άνθρακα: Ένα μόριο διοξειδίου του άνθρακα συνδυάζεται με ένα μόριο δέκτη άνθρακα που περιέχει πέντε άτομα γνωστά ως 1,5-διφωσφορική ριβουλόζη (RuBP). Αυτό το βήμα οδηγεί σε μια ένωση με έξι άτομα άνθρακα που διασπώνται σε δύο μόρια μιας ένωσης που περιέχει τρεις άνθρακες που ονομάζεται 3-φωσφογλυκερικό οξύ (3-PGA). Αυτή η αντίδραση καταλύεται από το ένζυμο RuBP carboxylase, ή rubisco.
2. Μείωση: Στο δεύτερο στάδιο του κύκλου Calvin, τα μόρια ATP και NADPH χρησιμοποιούνται για να μετατραπούν τα μόρια 3-PGA σε ένα μόριο σακχάρου που περιέχει τρία άτομα άνθρακα που ονομάζονται 3-φωσφορική γλυκεραλδεΰδη (G3P). Αυτό το στάδιο πήρε το όνομά του από το γεγονός ότι το NADPH δωρίζει ηλεκτρόνια σε ένα ενδιάμεσο τριών άνθρακα για να σχηματίσει το G3P.
3. Αναγέννηση: Ορισμένα μόρια G3P σχηματίζουν γλυκόζη, ενώ άλλα πρέπει να ανακυκλωθούν ώστε να μπορέσουν να αναγεννήσουν τον δέκτη RuBP. Η αναγέννηση χρειάζεται ATP και περιλαμβάνει μια σύνθετη σειρά αντιδράσεων που ονομάζονται «διαπλοκή υδατανθράκων».

Για να βγει ένα μόριο G3P από τον κύκλο και να συμβάλει στη σύνθεση γλυκόζης, τρία CO₂ Τα μόρια απαιτούνται για να εισέλθουν στον κύκλο, δίνοντας τρία νέα άτομα ασφαλώς συνδεδεμένου άνθρακα. Όταν τρία μόρια διοξειδίου του άνθρακα μπαίνουν στον κύκλο, σχηματίζονται έξι μόρια G3P. Το ένα βγαίνει από τον κύκλο και αποτελεί μέρος της γλυκόζης, ενώ τα άλλα πέντε πρέπει να ανακυκλωθούν για να αποκατασταθούν τρία μόρια του δέκτη RuBP.

Σύνοψη των αντιδρώντων και προϊόντων του διαγράμματος κύκλου Calvin

Ο κύκλος Calvin πρέπει να επαναληφθεί τρεις φορές για να παραχθεί ένα μόριο G3P που μπορεί να εγκαταλείψει τον κύκλο του Calvin και να συμβάλει στο σχηματισμό γλυκόζης. Ας συνοψίσουμε τον αριθμό των βασικών μορίων που εισέρχονται και εξέρχονται από τον κύκλο του Calvin όταν παράγεται ένα καθαρό G3P. Σε τρεις στροφές του κύκλου Calvin:

1. Άνθρακας:3 CO₂ Τα άτομα συνδυάζονται με 3 δέκτες RuBP, σχηματίζοντας έξι μόρια 3-φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης (G3P). 1 μόριο G3P φεύγει από τον κύκλο και συμβάλλει στην παραγωγή γλυκόζης. 5 μόρια G3P ανακυκλώνονται, αποκαθιστώντας τρία μόρια του δέκτη RuBP.
2. ATP:9 ATP μετατρέπονται σε 9 ADP (6 στο βήμα στερέωσης και 3 στο βήμα αναγέννησης).
3. NADPH:Κατά τη διάρκεια του βήματος μείωσης, 6 NADPH μετατρέπονται σε 6 NADP+. Ένα μόριο G3P έχει τρία άτομα άνθρακα, επομένως δανείζεται δύο G3P για να σχηματίσει ένα μόριο γλυκόζης με έξι άτομα άνθρακα. Θα απαιτούσε έξι επαναλήψεις του κύκλου ή 6 CO₂ , 18 ATP και 12 NADPH για την παραγωγή ενός μορίου γλυκόζης.

Φωτοσύνθεση 

Φωτοσύνθεση Ο κύκλος Calvin είναι ένας συνδυασμός βιολογικών και χημικών διεργασιών που συμβαίνουν σε όλα τα πράσινα φυτά ή τα αυτότροφα που παράγουν οργανικά μόρια από διοξείδιο του άνθρακα (CO₂ ), που περιέχουν αρκετούς δεσμούς άνθρακα-υδρογόνου (C–H ) και είναι πολύ ανηγμένοι από το CO₂ .

Η φωτοσύνθεση έχει δύο στάδια:

Αντιδράσεις που εξαρτώνται από το φως: Όπως δείχνει το όνομα, αυτές οι αντιδράσεις απαιτούν φως και εμφανίζονται κυρίως κατά τη διάρκεια της ημέρας.

Αντιδράσεις ανεξάρτητες από το φως: Αναφέρεται επίσης ως η σκοτεινή αντίδραση ή κύκλος Calvin και εμφανίζεται τόσο παρουσία όσο και απουσία ηλιακού φωτός.

Τα φυτικά κύτταρα χρησιμοποιούν πρώτες ύλες που δίνονται από τις αντιδράσεις φωτός για να δημιουργήσουν οργανικά μόρια:

1. Ενέργεια: Το ATP παρέχεται από κυκλικές και μη κυκλικές αντιδράσεις φωτοφωσφορυλίωσης και διευκολύνει τις ενεργονικές αντιδράσεις.
2. Μείωση ισχύος: Το φωτοσύστημα Ι παράγει NADPH, την πηγή υδρογόνου και τα ενεργειακά ηλεκτρόνια που απαιτούνται για τη δέσμευσή τους με άτομα άνθρακα. Ένα σημαντικό ποσό της φωτεινής ενέργειας που δεσμεύεται κατά τη φωτοσύνθεση αποδεικνύεται ότι βρίσκεται στους δεσμούς σακχάρου C-H υψηλής ενέργειας.

Η φωτεινή ενέργεια αποθηκεύεται από τα φυτά με τη μορφή υδατανθράκων, ιδιαίτερα αμύλου και σακχαρόζης. Ο άνθρακας και το οξυγόνο που χρειάζονται για αυτή τη διαδικασία προέρχονται από το CO₂ , και η ενέργεια για τη στερέωση του άνθρακα λαμβάνεται από το ATP και το NADPH που παράγεται κατά τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης.

Η διαδικασία σχηματισμού υδατανθράκων από CO₂ είναι γνωστός ως ο κύκλος του Calvin. Πήρε το όνομά του από τον επιστήμονα Μέλβιν Κάλβιν που το ανακάλυψε. Τα φυτά που εκτελούν δέσμευση άνθρακα μέσω του κύκλου Calvin ονομάζονται C₃ φυτά.

Το κοινό αναπτυξιακό παρελθόν των φωτοσυνθετικών οργανισμών είναι εντυπωσιακό, καθώς οι θεμελιώδεις διαδικασίες έχουν αλλάξει σε αμελητέο βαθμό με την πάροδο των περιόδων. Η διαδικασία της φωτοσύνθεσης Ο κύκλος του Calvin παραμένει η ίδια σε ζωντανά όντα, από τα γιγάντια φύλλα του τροπικού δάσους έως τα μικροσκοπικά κυανοβακτήρια.

Τα συστατικά της φωτοσύνθεσης είναι επίσης τα ίδια με τη χρήση του νερού ως δότη ηλεκτρονίων. Η λειτουργία των φωτοσυστημάτων είναι να απορροφούν το φως και να χρησιμοποιούν αλυσίδες μεταφοράς ηλεκτρονίων για να μετατρέψουν την ενέργεια σε χρησιμοποιήσιμες μορφές. Οι αντιδράσεις του κύκλου Calvin φωτοσύνθεσης συνδυάζουν μόρια υδατανθράκων με αυτήν την ενέργεια.

Ωστόσο, όπως συμβαίνει με όλους τους βιογεωχημικούς κύκλους, αρκετές συνθήκες οδηγούν σε προσαρμογές που επηρεάζουν το θεμελιώδες πρότυπο. Στα φυτά ξηρού κλίματος, η διαδικασία της φωτοσύνθεσης έχει αλλάξει με προσαρμογές που συντηρούν το νερό. Κάθε σταγόνα νερού σε σκληρή καυτή θερμότητα και πηγή ενέργειας πρέπει να χρησιμοποιείται για επιβίωση. Σε τέτοια φυτά, έχουν εξελιχθεί αρκετές προσαρμογές.

Με μια μορφή, πιο βιώσιμη χρήση του CO₂ επιτρέπει στα φυτά να πραγματοποιούν φωτοσύνθεση ακόμα και όταν η παροχή διοξειδίου του άνθρακα είναι χαμηλή, καθώς, τις ζεστές μέρες, τα στομάχια δεν είναι ανοιχτά. Μια άλλη προσαρμογή επιτρέπει στο φυτό να εκτελεί προκαταρκτικές αντιδράσεις του κύκλου Calvin τη νύχτα, καθώς το άνοιγμα της στομίας αυτή τη στιγμή εξοικονομεί νερό λόγω χαμηλότερων θερμοκρασιών. Επιπλέον, λόγω αυτής της προσαρμογής, τα φυτά μπορούν να εκτελέσουν χαμηλότερα επίπεδα φωτοσύνθεσης χωρίς καν να ανοίξουν τα στομάχια, έναν σοβαρό μηχανισμό για την αντιμετώπιση εξαιρετικά ξηρών και θερμών κλίματων.

Το Calvin Cycle χρειάζεται το ένζυμο ριβουλόζη-1,5-διφωσφορική καρβοξυλάση/οξυγενάση, που συνήθως αναφέρεται ως RuBisCO. Δημιουργεί τις φωσφορικές τριόζης, 3-φωσφογλυκερικό (3-PGA), γλυκεραλδεΰδη-3P (GAP) και φωσφορική διυδροξυακετόνη (DHAP) που χρησιμοποιούνται όλα στη σύνθεση των φωσφορικών εξόζης φρουκτόζη-1,6-διφωσφορική 6-φωσφορική φρουκτόζη.

Προϊόντα του κύκλου C3

Κάθε επανάληψη του κύκλου Calvin σταθεροποιεί ένα μόριο άνθρακα, ενώ ο κύκλος Calvin χρειάζεται να επαναληφθεί τρεις φορές για να δημιουργηθεί ένα μόριο φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης-3. Ένα μόριο γλυκόζης σχηματίζεται όταν δύο μόρια φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης-3 συνδυάζονται μεταξύ τους. Τρία μόρια ATP και 2 NADPH χρησιμοποιούνται στη διαδικασία αναγωγής του 3-φωσφογλυκερικού οξέος σε φωσφορική γλυκεραλδεΰδη-3 και στην αποκατάσταση της RuBP. Δεκαοκτώ μόρια ATP και δώδεκα μόρια NADPH χρησιμοποιούνται για το σχηματισμό ενός μορίου γλυκόζης.

Κύρια σημεία του C₃ Κύκλος

C₃ κύκλος σημαίνει την αντίδραση της φωτοσύνθεσης που συμβαίνει στο σκοτάδι.

Εξαρτάται ανεξάρτητα από το φως και οι σημαντικοί φορείς ενέργειας είναι προϊόντα αντιδράσεων που εξαρτώνται από το φως. Στο αρχικό στάδιο του κύκλου Calvin, ξεκινούν οι ανεξάρτητες από το φως αντιδράσεις και το διοξείδιο του άνθρακα σταθεροποιείται.

Στο επόμενο στάδιο, 3 PGA μειώνονται σε G3P από ATP και NADPH. Στη συνέχεια, τα ATP και NADPH μετατρέπονται σε ATP και NADP+. Στο τελευταίο στάδιο, το RuBP αποκαθίσταται. Αυτό βοηθά στη διόρθωση περισσότερου διοξειδίου του άνθρακα.

Συχνές ερωτήσεις

1. Τι είναι ο κύκλος Calvin;

Ο κύκλος Calvin αναφέρεται επίσης ως C₃ κύκλος, είναι το όνομα που δίνεται στη σειρά βιοχημικών αντιδράσεων που περιλαμβάνουν τη ριζοβολία του ατόμου άνθρακα από τον κύκλο του άνθρακα σε σάκχαρα. Εμφανίζεται στους χλωροπλάστες των φυτικών κυττάρων.

2. Ποια είναι τα διαφορετικά βήματα του κύκλου Calvin;

Ο κύκλος Calvin εμφανίζεται σε τρία κύρια βήματα, συγκεκριμένα: 

1. Στερέωση άνθρακα
2. Μείωση του άνθρακα
3. Αποκατάσταση ή αναγέννηση 

3. Τι είναι το τελικό προϊόν του κύκλου Calvin;

Το διοξείδιο του άνθρακα συνδέεται με οργανικά ενδιάμεσα που είναι σταθερά στο στάδιο στερέωσης άνθρακα του κύκλου Calvin.

4. Τι είναι η στερέωση άνθρακα στον κύκλο Calvin;

Το τρίτο βήμα του κύκλου Calvin είναι γνωστό ως αναγέννηση ως Ribulose-bisphosphate που αρχίζει ο κύκλος αποκαθίσταται από το G₃ P.