Skip to main content
Global

5.3: Mzunguko wa Calvin

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    174223

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Baada ya nishati kutoka jua kugeuzwa na vifurushi kuwa ATP na NADPH, kiini kina mafuta yanayotakiwa kujenga chakula kwa namna ya molekuli za kabohaidreti. Molekuli za kabohaidreti zilizofanywa zitakuwa na mgongo wa atomi za kaboni. Je, kaboni hutoka wapi? Atomi za kaboni zinazotumiwa kujenga molekuli za kaboni zinatokana na dioksidi kaboni, gesi ambayo wanyama huchochea kwa kila pumzi. Mzunguko wa Calvin ni neno linalotumiwa kwa athari za usanisinuru unaotumia nishati iliyohifadhiwa na athari za kutegemea mwanga ili kuunda glucose na molekuli nyingine za kabohaidreti.

    Interworkings ya Calvin Cycle

    Katika mimea, dioksidi kaboni (CO 2) inaingia kloroplast kupitia stomata na huenea katika stroma ya kloroplasti-tovuti ya athari za mzunguko wa Calvin ambapo sukari hutengenezwa. Athari huitwa jina la mwanasayansi ambaye aligundua, na kutaja ukweli kwamba athari hufanya kazi kama mzunguko. Wengine wanaiita mzunguko wa Calvin-Benson kuingiza jina la mwanasayansi mwingine aliyehusika katika ugunduzi wake (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

    Mfano huu unaonyesha kwamba ATP na NADPH zinazozalishwa katika athari za nuru hutumika katika mzunguko wa Calvin kutengeneza sukari.
    Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Athari za kutegemea mwanga huunganisha nishati kutoka jua ili kuzalisha ATP na NADPH. Molekuli hizi za kubeba nishati zinasafiri katika stroma ambako athari za mzunguko wa Calvin hufanyika.

    Athari ya mzunguko wa Calvin (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)) inaweza kupangwa katika hatua tatu za msingi: fixation, kupunguza, na kuzaliwa upya. Katika stroma, pamoja na CO 2, kemikali nyingine mbili zipo kuanzisha mzunguko wa Calvin: Rubisco iliyofupishwa enzyme, na ribulose bisphosphate ya molekuli (RubP). RubP ina atomi tano za kaboni na kundi la phosphate kila mwisho.

    Rubisco huchochea mmenyuko kati ya CO 2 na RubP, ambayo huunda kiwanja cha kaboni sita ambacho hubadilishwa mara moja kuwa misombo miwili ya kaboni. Utaratibu huu huitwa fixation kaboni, kwa sababu CO 2 ni “fasta” kutoka fomu yake isokaboni kuwa molekuli za kikaboni.

    ATP na NADPH hutumia nishati zao zilizohifadhiwa ili kubadilisha kiwanja cha kaboni tatu, 3-PGA, kuwa kiwanja kingine cha kaboni tatu kinachoitwa G3P. Aina hii ya mmenyuko inaitwa mmenyuko wa kupunguza, kwa sababu inahusisha faida ya elektroni. Kupunguza ni faida ya elektroni kwa atomu au molekuli. Molekuli ya ADP na NAD +, kutokana na mmenyuko wa kupunguza, kurudi kwenye athari za kutegemea mwanga ili kuzidi tena.

    Moja ya molekuli za G3P huacha mzunguko wa Calvin kuchangia kuundwa kwa molekuli ya kabohaidreti, ambayo ni kawaida ya glucose (C 6 H 12 O 6). Kwa sababu molekuli ya kaboni ina atomi sita za kaboni, inachukua zamu sita za mzunguko wa Calvin kutengeneza molekuli moja ya kaboni (moja kwa kila molekuli ya dioksidi kaboni iliyowekwa). Molekuli iliyobaki ya G3P hurejesha upya RubP, ambayo inawezesha mfumo kujiandaa kwa hatua ya kurekebisha kaboni. ATP pia hutumiwa katika kuzaliwa upya kwa RubP.

    Mfano huu unaonyesha mzunguko wa mviringo na hatua tatu. Molekuli tatu za dioksidi kaboni huingia kwenye mzunguko. Katika hatua ya kwanza, Rubisco ya enzyme inashirikisha dioksidi kaboni ndani ya molekuli ya kikaboni. Molekuli sita za ATP zinabadilishwa kuwa molekuli sita za ADP. Katika hatua ya pili, molekuli ya kikaboni imepunguzwa. Molekuli sita za NADPH zinabadilishwa kuwa ioni sita za NADP+ na ion moja ya hidrojeni. Sukari huzalishwa. Katika hatua ya tatu, RubP imerejeshwa, na molekuli tatu za ATP zinabadilishwa kuwa molekuli tatu za ADP. RubP kisha kuanza mzunguko tena.
    Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Mzunguko wa Calvin una hatua tatu. Katika hatua ya 1, Rubisco ya enzyme inashirikisha dioksidi kaboni katika molekuli ya kikaboni Katika hatua ya 2, molekuli ya kikaboni imepunguzwa. Katika hatua ya 3, RubP, molekuli inayoanza mzunguko, inarejeshwa ili mzunguko uweze kuendelea.

    Kwa muhtasari, inachukua zamu sita za mzunguko wa Calvin kurekebisha atomi sita za kaboni kutoka CO 2. Zamu hizi sita zinahitaji pembejeo ya nishati kutoka molekuli 12 za ATP na molekuli 12 za NADPH katika hatua ya kupunguza na molekuli 6 za ATP katika hatua ya kuzaliwa upya.

    DHANA KATIKA HATUA

    Yafuatayo ni kiungo kwa uhuishaji wa mzunguko wa Calvin. Bonyeza Hatua ya 1, Hatua ya 2, na kisha Hatua ya 3 ili kuona G3P na ATP upya ili kuunda RubP.

    EVOLUTION KATIKA ACTION: usanisinuru

    Historia ya mabadiliko ya pamoja ya viumbe vyote vya photosynthetic inaonekana, kama mchakato wa msingi umebadilika kidogo zaidi ya muda. Hata kati ya majani makubwa ya kitropiki katika msitu wa mvua na cyanobacteria vidogo, mchakato na vipengele vya usanisinuru ambao hutumia maji kama wafadhili wa elektroni hubakia kwa kiasi kikubwa sawa. Photosystems hufanya kazi ya kunyonya mwanga na kutumia minyororo ya usafiri wa elektroni kubadili nishati. Athari za mzunguko wa Calvin hukusanya molekuli za kaboni na nishati hii.

    Hata hivyo, kama ilivyo kwa njia zote za biochemical, hali mbalimbali husababisha mabadiliko mbalimbali yanayoathiri muundo wa msingi. Photosynthesis katika mimea kavu-hali ya hewa (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)) imebadilika na marekebisho ambayo huhifadhi maji. Katika joto kali kavu, kila tone la maji na nishati ya thamani lazima kutumika kuishi. Mabadiliko mawili yamebadilika katika mimea hiyo. Kwa namna moja, matumizi ya ufanisi zaidi ya CO 2 inaruhusu mimea kupiga picha hata wakati CO 2 haipatikani, kama wakati stomata imefungwa siku za moto. Mabadiliko mengine hufanya athari za awali za mzunguko wa Calvin usiku, kwa sababu kufungua stomata kwa wakati huu huhifadhi maji kutokana na joto la baridi. Aidha, kukabiliana na hali hii imeruhusu mimea kutekeleza viwango vya chini vya usanisinuru bila kufungua stomata kabisa, utaratibu uliokithiri wa kukabiliana na vipindi vya kavu sana.

    Picha hii inaonyesha cactus.
    Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Wanaoishi katika hali mbaya ya jangwa imesababisha mimea kama cactus hii kufuka tofauti katika athari nje Calvin mzunguko. Tofauti hizi huongeza ufanisi na kusaidia kuhifadhi maji na nishati. (mikopo: Piotr Wojtkowski)

    Photosynthesis katika Prokaryotes

    Sehemu mbili za photosynthesis-athari za kutegemea mwanga na mzunguko wa Calvin-zimeelezewa, kama zinavyofanyika katika kloroplasts. Hata hivyo, prokaryotes, kama vile cyanobacteria, hawana organelles zilizofungwa na membrane. Prokaryotic photosynthetic autotrophic viumbe na infoldings ya utando plasma kwa chlorophyll attachment na photosynthesis (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Ni hapa kwamba viumbe kama cyanobacteria vinaweza kutekeleza usanisinuru.

    Mfano huu unaonyesha Ribbon ya kijani, inayowakilisha membrane iliyopigwa, na makundi mengi yaliyowekwa juu ya mwingine kama kamba au hose. Picha inaonyesha micrograph ya elektroni ya membrane ya thylakoid iliyounganishwa na folda sawa kutoka kwa viumbe vya unicellular.
    Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Prokaryote ya photosynthetic imefunua mikoa ya membrane ya plasma inayofanya kazi kama thylakoids. Ingawa hizi hazipatikani katika organelle, kama vile chloroplast, vipengele vyote muhimu vinapatikana ili kutekeleza photosynthesis. (mikopo: data wadogo bar kutoka Matt Russell)

    Mzunguko wa Nishati

    Mambo hai hupata nishati kwa kuvunja molekuli za kabohaidre. Hata hivyo, kama mimea hufanya molekuli za kabohaidreti, kwa nini wanahitaji kuzivunja? Karodi ni molekuli za kuhifadhi kwa nishati katika vitu vyote vilivyo hai. Ingawa nishati inaweza kuhifadhiwa katika molekuli kama ATP, wanga ni mabwawa imara zaidi na yenye ufanisi kwa nishati ya kemikali. Viumbe vya photosynthetic pia hufanya athari za kupumua ili kuvuna nishati ambazo zimehifadhiwa katika wanga, kwa mfano, mimea ina mitochondria pamoja na kloroplasts.

    Huenda umeona kuwa mmenyuko wa jumla wa photosynthesis:

    \[\ce{6CO2 + 6H2O→C6H12O6 + 6O2}\nonumber\]

    ni kinyume cha mmenyuko wa jumla kwa kupumua kwa seli:

    \[\ce{6O2 + C6H12O6→6CO2 + 6H2O}\nonumber\]

    Photosynthesis hutoa oksijeni kama byproduct, na kupumua hutoa dioksidi kaboni kama byproduct.

    Kwa asili, hakuna kitu kama taka. Kila atomi moja ya suala huhifadhiwa, kusindika kwa muda usiojulikana. Vipengele vinabadilisha fomu au kuhamia kutoka kwa aina moja ya molekuli hadi nyingine, lakini kamwe kutoweka (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)).

    CO 2 si tena aina ya taka zinazozalishwa na kupumua kuliko oksijeni ni bidhaa taka ya photosynthesis. Wote ni matokeo ya athari zinazoendelea na athari nyingine. Usanisinuru unachukua nishati ya kujenga wanga katika kloroplasts, na kupumua kwa seli za aerobic hutoa nishati kwa kutumia oksijeni kuvunja wanga. Organelles zote mbili hutumia minyororo ya usafiri wa elektroni ili kuzalisha nishati zinazohitajika kuendesha athari nyingine. Usanisinuru na upumuaji wa seli hufanya kazi katika mzunguko wa kibiolojia, huku kuruhusu viumbe kupata nishati inayoendelea maisha inayotokana na mamilioni ya maili katika nyota.

    Picha hii inaonyesha twiga akila majani kutoka kwenye mti. Maandiko yanaonyesha kwamba twiga hutumia oksijeni na hutoa dioksidi kaboni, ilhali mti hutumia dioksidi kaboni na hutoa oksijeni.
    Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Katika mzunguko wa kaboni, athari za photosynthesis na kupumua kwa seli hushiriki reactants na bidhaa. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Stuart Bassil)

    Muhtasari

    Kutumia flygbolag za nishati zilizoundwa katika hatua ya kwanza ya usanisinuru, athari za mzunguko wa Calvin hutengeneza CO 2 kutoka kwa mazingira ili kujenga molekuli za kabohaidreti. Enzyme, RubiSCO, huchochea mmenyuko wa fixation, kwa kuchanganya CO 2 na RubP. Kiwanja cha kaboni sita kinavunjika katika misombo miwili ya kaboni tatu, na nishati katika ATP na NADPH hutumiwa kubadili molekuli hizi kuwa G3P. Moja kati ya molekuli tatu za kaboni za G3P huacha mzunguko kuwa sehemu ya molekuli ya kaboni. Molekuli iliyobaki ya G3P hukaa katika mzunguko wa kuundwa tena kwenye RubP, ambayo iko tayari kuitikia na CO 2 zaidi. Photosynthesis huunda mzunguko wa nishati ya usawa na mchakato wa kupumua kwa seli. Mimea ina uwezo wa photosynthesis na kupumua kwa seli, kwani zina vyenye chloroplasts na mitochondria.

    faharasa

    Calvin mzunguko
    athari za photosynthesis zinazotumia nishati iliyohifadhiwa na athari za kutegemea mwanga ili kuunda glucose na molekuli nyingine za kabohaidreti
    fixation kaboni
    mchakato wa kubadili gesi ya CO 2 isokaboni katika misombo ya kikaboni

    Wachangiaji na Majina