Калвинов цикъл (Бенсън–Калвин): определение и роля във фотосинтезата
Калвинов цикъл (Бенсън–Калвин): дефиниция, механизъм и ключова роля във фотосинтезата — как растенията фиксират въглерод и преобразуват енергия.
Цикълът на Калвин (известен също като цикъл на Бенсън-Калвин) е съвкупност от химични реакции, които протичат в хлоропластите по време на фотосинтезата.
Цикълът е независим от светлината, тъй като се осъществява, след като енергията е била уловена от слънчевата светлина.
Цикълът на Калвин е кръстен на Мелвин Калвин, който получава Нобелова награда за химия за откриването му през 1961 г. Калвин и колегите му Андрю Бенсън и Джеймс Башам са работили в Калифорнийския университет в Бъркли.
Място и обща роля
Цикълът на Калвин протича в стромата на хлоропластите. Въпреки че е наричан „светлинно независим”, той се нуждае от продуктите на светлинните реакции — АТР и НАДФН, които осигуряват енергия и редукционна сила за преобразуване на въглеродния диоксид (CO2) в органични молекули.
Ключови стъпки и ензими
- Фиксация на CO2 (карбоксилация) — CO2 се свързва с рибулозо-1,5‑бифосфат (RuBP) чрез ензима RuBisCO, образувайки нестабилен 6‑въглероден междинен продукт, който бързо се разпада до две молекули 3‑фосфоглицерат (3‑PGA).
- Редукция — 3‑PGA се фосфорилира и редуцира с помощта на АТP и НАДФН до глицералдехид‑3‑фосфат (G3P), 3‑въглероден захарен фосфат, който е основният продуктивен продукт на цикъла.
- Регенерация на RuBP — част от G3P се използва за възстановяване на RuBP чрез серия ензимно-катализирани трансформации, които изискват допълнителен ATP, за да цикълът може да продължи.
Стехиометрия и продукти
За да се синтезира една молекула G3P, необходима за въглеродна биосинтеза (нето продукция), са необходими обикновено:
- 3 молекули CO2
- 9 молекули ATP
- 6 молекули NADPH
За образуване на една глюкоза (6C) се изискват двойни количества: 6 CO2, ~18 ATP и ~12 NADPH (преди допълнителни енергийни разходи за последващи синтези и транспортиране).
Биологично значение и адаптации
- Цикълът на Калвин е основният път за фиксация на неорганичния въглерод в растения, водорасли и някои бактерии и стои в основата на трофичните вериги и глобалния въглероден цикъл.
- Ензимът RuBisCO е най-разпространеният белтък на Земята, но има ниска специфицичност — той реагира и с O2 (окисение), което води до фотореспирация, процес, който намалява ефективността на фиксацията на CO2.
- Растенията са развили адаптации за намаляване на загубите при фотореспирация, например C4 и CAM механизми, които концентрират CO2 около RuBisCO.
Регулация
Цикълът се регулира чрез:
- наличието на ATP и NADPH (свързано със светлинните реакции),
- алостерична и посттранслационна регулация на ензими (напр. RuBisCO activase),
- промени в pH и концентрацията на Mg2+ в стромата, които се изменят при осветяване.
Исторически бележки и приложения
Калвин и неговият екип използват радиоактивен въглерод (C‑14) за проследяване на междинните продукти и реконструиране на пътя — това откритие обяснява как неорганичният CO2 се преобразува в захари. Разбирането на цикъла има приложения в земеделието и биотехнологиите — например опити за увеличаване на ефективността на RuBisCO, оптимизиране на фотосинтезата и намаляване на загубите при фотореспирация с цел повишаване на добивите и устойчивостта на културите.
Цикълът на Калвин.
Контекст
Използвайки радиоактивния изотоп на въглерода 14 като проследяващо вещество, Калвин, Андрю Бенсън и екипът им картографират целия път, по който въглеродът преминава през растението по време на фотосинтезата. Те проследяват пътя на въглерод-14 от поглъщането на атмосферния въглероден диоксид до превръщането му във въглехидрати и други органични съединения. За проследяване на въглерода-14 е използвано едноклетъчното водорасло Chlorulla.Групата на Калвин показа, че слънчевата светлина действа върху хлорофила в растението, за да стимулира производството на органични съединения, а не директно върху въглеродния диоксид, както се смяташе досега.
Стъпки
Стъпките в цикъла са следните:
1. Хвани: петвъглероден въглероден уловител, наречен RuBP (рибулозен бисфосфат), улавя една молекула въглероден диоксид и образува шествъглеродна молекула.
2. Разделяне: ензимът RuBisCO (с помощта на енергията на молекулите АТФ и НАДФН) разделя шествъглеродната молекула на две равни части.
3. Напускане: Тройка въглеродни съединения напускат и се превръщат в захар. Другата тройка преминава към следващата стъпка.
4. Превключвател: С помощта на АТФ и НАДФН тривъглеродната молекула се превръща в петвъглеродна молекула.
5. Цикълът започва отново.
Продуктът
Въглехидратните продукти на цикъла на Калвин са тривъглеродни фосфатни молекули на захарта или "глюкозо-триозофосфати" (G3P). Всяка стъпка от цикъла има свой ензим, който ускорява реакцията.
Въпроси и отговори
В: Какво представлява цикълът "Калвин"?
О: Цикълът на Калвин е поредица от химични реакции, които протичат в хлоропластите по време на фотосинтезата.
Въпрос: Цикълът на Калвин зависим ли е от светлината или от светлината?
О: Цикълът на Калвин е светлиннонезависим, тъй като протича след улавянето на енергията на слънчевата светлина.
В: Кой е Мелвин Калвин?
О: Мелвин К. Калвин е химик, който открива цикъла на Калвин и получава Нобелова награда за химия през 1961 г. за работата си.
Въпрос: Къде Калвин и колегите му провеждат изследванията си върху цикъла на Калвин?
О: Калвин и колегите му Андрю Бенсън и Джеймс Башам са работили върху цикъла на Калвин в Калифорнийския университет в Бъркли.
В: Кога е открит цикълът на Калвин?
О: Цикълът на Калвин е открит през 1961 г. от Мелвин К. Калвин и неговите колеги.
В: Какво е значението на цикъла на Калвин за фотосинтезата?
О: Цикълът на Калвин играе ключова роля във фотосинтезата, като превръща въглеродния диоксид в глюкоза, която е основният източник на енергия за растенията.
В: Как се нарича цикълът на Калвин?
О: Цикълът на Калвин е известен също като цикъл на Бенсън-Калвин.
обискирам