Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

8.3: Використання світлової енергії для створення органічних молекул

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    1780

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Навички для розвитку

    • Опишіть цикл Кальвіна
    • Визначте вуглецеву фіксацію
    • Поясніть, як працює фотосинтез в енергетичному циклі всіх живих організмів

    Після того, як енергія сонця перетворюється в хімічну енергію і тимчасово зберігається в молекулах АТФ і НАДПГ, клітина має паливо, необхідне для побудови молекул вуглеводів для тривалого зберігання енергії. Продукти світлозалежних реакцій, АТФ і НАДПГ, мають тривалість життя в діапазоні мільйонних часток секунд, тоді як продукти світлонезалежних реакцій (вуглеводи та інші форми відновленого вуглецю) можуть виживати сотні мільйонів років. Виготовлені молекули вуглеводів матимуть основу атомів вуглецю. Звідки береться вуглець? Він надходить з вуглекислого газу, газу, який є відпрацьованим продуктом дихання у мікробів, грибів, рослин та тварин.

    Цикл Кальвіна

    У рослин вуглекислий газ (СО 2) потрапляє в листя через продихи, де дифундує на невеликі відстані через міжклітинні простори, поки не досягне клітин мезофілів. Потрапивши в клітини мезофілу, СО 2 дифундує в строму хлоропласта - місце світлонезалежних реакцій фотосинтезу. Ці реакції насправді мають кілька назв, пов'язаних з ними. Інший термін, цикл Кальвіна, названий на честь людини, яка його виявила, і тому, що ці реакції функціонують як цикл. Інші називають це циклом Кальвіна-Бенсона, щоб включити ім'я іншого вченого, який бере участь у його відкритті. Сама застаріла назва - темні реакції, тому що світло безпосередньо не потрібно (рис.\(\PageIndex{1}\)). Однак термін темна реакція може вводити в оману, оскільки він неправильно означає, що реакція відбувається лише вночі або не залежить від світла, тому більшість вчених та інструкторів більше не використовують її.

    Ця ілюстрація показує, що АТФ і NADPH, що утворюються в світлових реакціях, використовуються в циклі Кальвіна для отримання цукру.
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Світлові реакції використовують енергію від сонця для отримання хімічних зв'язків, АТФ та NADPH. Ці енергонесучі молекули зроблені в стромі, де відбувається фіксація вуглецю.

    Світлонезалежні реакції циклу Кальвіна можуть бути організовані в три основні етапи: фіксація, редукція і регенерація.

    Етап 1: Фіксація

    У стромі, крім СО 2, присутні два інші компоненти для ініціювання світлонезалежних реакцій: фермент під назвою рибулоза-1,5-бісфосфаткарбоксилаза/оксигеназа (RubiSCo), і три молекули бісфосфату рибулози (RubP), як показано на малюнку\(\PageIndex{2}\). RubP має п'ять атомів вуглецю, оточених двома фосфатами.

    Мистецтво З'єднання

    Наведена діаграма циклу Кальвіна з трьома його етапами: фіксація вуглецю, зменшення 3-PGA та регенерація RubP. На стадії 1 фермент RubiSco додає вуглекислий газ до п'ятивуглецевої молекули RubP, виробляючи дві тривуглецеві 3-PGA молекули. На стадії 2 для зниження 3-PGA до GA3P використовуються два NADPH і два АТФ. На етапі 3 рубП регенерується з GA3P. В процесі використовується один АТФ. Три повних циклу виробляють один новий GA3P, який шунтується з циклу і перетворюється в глюкозу (C6H12O6).
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Цикл Кальвіна має три етапи. На стадії 1 фермент RubiSco включає вуглекислий газ в органічну молекулу, 3-PGA. На 2 стадії органічна молекула відновлюється за допомогою електронів, що подаються НАДПГ. На 3 стадії RubP, молекула, яка починає цикл, регенерується, щоб цикл міг продовжитися. Тільки одна молекула вуглекислого газу включається одночасно, тому цикл повинен бути завершений три рази, щоб отримати одну тривуглецеву молекулу GA3P, і шість разів для отримання шестивуглецевої молекули глюкози.

    Яке з наведених нижче тверджень вірно?

    1. У фотосинтезі кисень, вуглекислий газ, АТФ і NADPH є реагентами. GA3P і вода - продукти.
    2. У фотосинтезі хлорофіл, вода та вуглекислий газ є реагентами. GA3P і кисень є продуктами.
    3. У фотосинтезі вода, вуглекислий газ, АТФ і NADPH є реагентами. RubP і кисень - продукти.
    4. У фотосинтезі вода і вуглекислий газ є реагентами. GA3P і кисень є продуктами.

    RubiSCo каталізує реакцію між СО 2 і RubP. Для кожної молекули СО 2, яка реагує з одним RubP, утворюються дві молекули іншого з'єднання (3-PGA). PGA має три вуглецю і один фосфат. Кожен виток циклу включає в себе всього один рубП і один вуглекислий газ і утворює дві молекули 3-PGA. Кількість атомів вуглецю залишається колишнім, так як атоми рухаються, утворюючи нові зв'язки під час реакцій (3 атоми з 3CO 2 + 15 атомів від 3RubP = 18 атомів в 3 атомах 3-PGA). Цей процес називається фіксацією вуглецю, тому що СО 2 «закріплюється» з неорганічної форми в органічні молекули.

    Етап 2: Зниження

    АТФ і NADPH використовуються для перетворення шести молекул 3-PGA в шість молекул хімічної речовини під назвою гліцеральдегід 3-фосфат (G3P). Це реакція відновлення, оскільки вона передбачає посилення електронів 3-PGA. Нагадаємо, що редукція - це посилення електрона атомом або молекулою. Використовується шість молекул як АТФ, так і НАДФН. Для АТФ енергія вивільняється з втратою кінцевого атома фосфату, перетворюючи його в АДФ; для NADPH втрачається і енергія, і атом водню, перетворюючи його в NADP +. Обидві ці молекули повертаються до сусідніх світлозалежних реакцій, які будуть повторно використані та відновлені.

    Етап 3: Регенерація

    Цікаво, що в цей момент тільки одна з молекул G3P залишає цикл Кальвіна і направляється в цитоплазму, щоб сприяти утворенню інших сполук, необхідних рослині. Оскільки G3P, експортований з хлоропласту, має три атоми вуглецю, потрібно три «повороти» циклу Кальвіна, щоб виправити достатню кількість чистого вуглецю для експорту одного G3P. Але кожен хід робить два G3Ps, таким чином три обороти роблять шість G3Ps. Один експортується, а решта п'яти молекул G3P залишаються в циклі і використовуються для регенерації RubP, що дозволяє системі підготуватися до фіксації більшої кількості CO 2. Ще три молекули АТФ використовуються в цих реакціях регенерації.

    Посилання на навчання

    Ця ланка призводить до анімації циклу Кальвіна. Клацніть етап 1, етап 2, а потім етап 3, щоб побачити G3P і ATP регенерують, щоб сформувати RubP.

    Еволюція зв'язку: фотосинтез

    Під час еволюції фотосинтезу відбувся значний зрушення від бактеріального типу фотосинтезу, який включає лише одну фотосистему і, як правило, аноксигенний (не генерує кисень) у сучасний кисневий (генерує кисень) фотосинтез, використовуючи дві фотосистеми. Цей сучасний кисневий фотосинтез використовується багатьма організмами - від гігантських тропічних листя в тропічних лісах до крихітних ціанобактеріальних клітин - і процес та компоненти цього фотосинтезу залишаються в основному однаковими. Фотосистеми поглинають світло і використовують транспортні ланцюги електронів для перетворення енергії в хімічну енергію АТФ і НАДГ. Наступні незалежні від світла реакції потім збирають молекули вуглеводів з цією енергією.

    Фотосинтез у пустельних рослин розвинув пристосування, які зберігають воду. У сувору суху спеку потрібно використовувати кожну краплю води, щоб вижити. Оскільки продихи повинні відкриватися, щоб забезпечити поглинання CO 2, вода виривається з листа під час активного фотосинтезу. Пустельні рослини розвинули процеси збереження води та боротьби з суворими умовами. Більш ефективне використання СО 2 дозволяє рослинам адаптуватися до життя з меншою кількістю води. Деякі рослини, такі як кактуси (рис.\(\PageIndex{3}\)) can prepare materials for photosynthesis during the night by a temporary carbon fixation/storage process, because opening the stomata at this time conserves water due to cooler temperatures. In addition, cacti have evolved the ability to carry out low levels of photosynthesis without opening stomata at all, an extreme mechanism to face extremely dry periods.

    This photo shows short, round prickly cacti growing in cracks in a rock.
    Figure \(\PageIndex{3}\): The harsh conditions of the desert have led plants like these cacti to evolve variations of the light-independent reactions of photosynthesis. These variations increase the efficiency of water usage, helping to conserve water and energy. (credit: Piotr Wojtkowski)

    The Energy Cycle

    Whether the organism is a bacterium, plant, or animal, all living things access energy by breaking down carbohydrate molecules. But if plants make carbohydrate molecules, why would they need to break them down, especially when it has been shown that the gas organisms release as a “waste product” (CO2) acts as a substrate for the formation of more food in photosynthesis? Remember, living things need energy to perform life functions. In addition, an organism can either make its own food or eat another organism—either way, the food still needs to be broken down. Finally, in the process of breaking down food, called cellular respiration, heterotrophs release needed energy and produce “waste” in the form of CO2 gas.

    In nature, there is no such thing as waste. Every single atom of matter and energy is conserved, recycling over and over infinitely. Substances change form or move from one type of molecule to another, but their constituent atoms never disappear (Figure \(\PageIndex{4}\)).

    CO2 is no more a form of waste than oxygen is wasteful to photosynthesis. Both are byproducts of reactions that move on to other reactions. Photosynthesis absorbs light energy to build carbohydrates in chloroplasts, and aerobic cellular respiration releases energy by using oxygen to metabolize carbohydrates in the cytoplasm and mitochondria. Both processes use electron transport chains to capture the energy necessary to drive other reactions. These two powerhouse processes, photosynthesis and cellular respiration, function in biological, cyclical harmony to allow organisms to access life-sustaining energy that originates millions of miles away in a burning star humans call the sun.

    This photograph shows a giraffe eating leaves from a tree. Labels indicate that the giraffe consumes oxygen and releases carbon dioxide, whereas the tree consumes carbon dioxide and releases oxygen.
    Figure \(\PageIndex{4}\): Photosynthesis consumes carbon dioxide and produces oxygen. Aerobic respiration consumes oxygen and produces carbon dioxide. These two processes play an important role in the carbon cycle. (credit: modification of work by Stuart Bassil)

    Summary

    Using the energy carriers formed in the first steps of photosynthesis, the light-independent reactions, or the Calvin cycle, take in CO2 from the environment. An enzyme, RuBisCO, catalyzes a reaction with CO2 and another molecule, RuBP. After three cycles, a three-carbon molecule of G3P leaves the cycle to become part of a carbohydrate molecule. The remaining G3P molecules stay in the cycle to be regenerated into RuBP, which is then ready to react with more CO2. Photosynthesis forms an energy cycle with the process of cellular respiration. Plants need both photosynthesis and respiration for their ability to function in both the light and dark, and to be able to interconvert essential metabolites. Therefore, plants contain both chloroplasts and mitochondria.

    Art Connections

    Figure \(\PageIndex{2}\): Which of the following statements is true?

    1. In photosynthesis, oxygen, carbon dioxide, ATP, and NADPH are reactants. G3P and water are products.
    2. In photosynthesis, chlorophyll, water, and carbon dioxide are reactants. G3P and oxygen are products.
    3. In photosynthesis, water, carbon dioxide, ATP, and NADPH are reactants. RuBP and oxygen are products.
    4. In photosynthesis, water and carbon dioxide are reactants. G3P and oxygen are products.
    Answer

    D

    Glossary

    Calvin cycle
    light-independent reactions of photosynthesis that convert carbon dioxide from the atmosphere into carbohydrates using the energy and reducing power of ATP and NADPH
    carbon fixation
    process of converting inorganic CO2 gas into organic compounds
    reduction
    gain of electron(s) by an atom or molecule