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Ciclo de Calvin TED-ED - Biología

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La fábrica más pequeña de la naturaleza

https://youtu.be/0UzMaoaXKaM

  1. La energía existe en forma de ____________________ hecha por la planta.
  2. Las plantas obtienen su carbono de __________________.
  3. La fotosíntesis ocurre en dos pasos, el segundo es el _____________________.
  4. RuBP contiene __________ carbonos.
  5. La enzima _________________________ construye una secuencia inicial de 6 carbonos.
  6. Esta secuencia se dividió en dos cadenas cortas llamadas _________.
  7. NADPH transfiere un __________________ a esas moléculas, se convierten en G3P.
    La glucosa necesita 6 carbonos para formarse, hechos a partir de dos moléculas G3P. Se ha fabricado azúcar, pero no del todo ...
  8. El RuBP original debe ser _________________________.
  9. ¿Cuántas líneas de producción están funcionando al mismo tiempo? _____
  10. ¿Cuántos carbonos existen en todas estas líneas de producción? ______
  11. ¿Cuántos de estos se utilizan para producir glucosa? _____ ¿Para hacer RuBP? ______
  12. La combinación y combinación molecular asegura que se regeneren _______ RuBP.

Resumir el escenario

Escenario

Descripción

Moléculas involucradas

x3

x3

Glucosa

x2

(Se necesitan 2 turnos para fijar 6 átomos de carbono del CO2)

reducción
glucosa

regeneración de RUBP
fijacion de carbon

3 moléculas de CO2
RuBisCO

6 ATP → 6 ADP
3 ATP → 3 ADP


Ciclo de Calvin: historia y fases (con diagrama)

El ciclo fue descubierto por Calvin, Benson y sus colegas en California, EE. UU. Alimentaron a Chlorella y Scenedesmus con 14 C radiactivo en dióxido de carbono. Carbón activo radioeléctrico, 14 C tiene una vida media de 5568 años.

Por tanto, el camino del CO2 la fijación se puede rastrear fácilmente con su ayuda. Suspensión de algas iluminada y realizando la fotosíntesis con dióxido de carbono normal se le suministró 14 CO2. El alga se sacrificó a intervalos en metanol casi hirviendo.

Inmediatamente detuvo la actividad fotosintética debido a la desnaturalización de las enzimas. El alcohol se evaporó y después de triturar el alga, el producto se convirtió en una pasta. La pasta se colocó en un cromatograma de papel y los diferentes compuestos se separaron mediante cromatografía bidimensional desarrollada por primera vez por Martin y Synge (1941).

A continuación, se presionó una película de rayos X contra el cromatograma de papel. La película desarrolló manchas donde estaban presentes compuestos radiactivos. El proceso se llama autorradiografía. Los compuestos radiactivos se identificaron comparando su posición en el cromatograma con productos químicos estándar.

Calvin y sus colaboradores encontraron que después de tres segundos, apareció radiactividad en el ácido fosfoglicérico o PGA. El ácido fosfoglicérico es, por tanto, el primer producto estable de la fotosíntesis. También se descubrió que la radiactividad estaba presente en un solo carbono de este compuesto, que resultó ser el primero.

Aparentemente, solo el primer grupo de carbono de la sustancia química provino del CO2 mientras que el resto fue aportado por alguna molécula aceptora. Se encontraron varios otros compuestos que tienen radiactividad después de intervalos de 5, 10, 15 y 30 segundos.

Incluían hexosas, tetrosis, pentosas, heptosis. Después de 60 segundos, los tres átomos de carbono de PGA eran radiactivos, lo que indicaba ciclos de reacciones. Después de muchos cálculos minuciosos, Calvin elaboró ​​la vía del CO2 fijación. Basham descubrió que la molécula aceptora primaria era ribulosa-1, 5-bi-fosfato o RuBP.

Fases del ciclo de Calvin:

El ciclo de reducción fotosintética del carbono (PCR) o el ciclo de Calvin ocurre en todas las plantas foto sintéticas y sintéticas, ya sea que tengan C3 o C4 caminos. Se divide en las siguientes tres fases: carboxilación, reversión glucolítica y regeneración de RuBP (fig. 13.21).

La carboxilación es la adición de dióxido de carbono a otra sustancia llamada aceptor. La carboxilación fotosintética requiere ribulosa-1, 5-bi-fosfato o RuBP como aceptor de dióxido de carbono y RuBP carboxilasa-oxigenasa o RuBisCo como enzima. Anteriormente, la enzima se llamaba carboxidismutasa.

Rubisco es la proteína más abundante del mundo biológico. Constituye el 16% de las proteínas del cloropiasto (40% de las proteínas foliares solubles). Sin embargo, es una enzima más lenta con un recambio de 3 moléculas de dióxido de carbono por segundo. Rubisco se encuentra en el estroma de la superficie exterior de las membranas tilacoides.

El dióxido de carbono se combina con la ribulosa-1, 5-biofosfato para producir un compuesto intermedio y intermedio transitorio llamado 2-carboxi 3-ceto 1, 5-bi-fosforribotol. El intermedio se divide inmediatamente en presencia de agua para formar las dos moléculas de ácido 3-fosfoglicérico o PGA. Es el primer producto estable de la fotosíntesis.

2. Inversión glicolítica:

Los procesos involucrados en este paso o fase son la inversión de los procesos que se encuentran durante la glucólisis como parte de la respiración. El ATP fosforila aún más el ácido fosfoglicérico o PGA con la ayuda de la enzima triosa fosfato quinasa (fosfoglicerato quinasa). Da lugar al ácido 1,3-bifosfogliceo.

El ácido bifosfoglicérico es reducido por el NADPH a través de la enzima gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa (triosa fosfato deshidrogenasa). Produce gliceraldehído 3-fosfato o 3-fosfogliceraldehído.

El gliceraldehído-3-fosfato es un producto clave que se utiliza en la síntesis tanto de carbohidratos como de grasas. Para formar carbohidratos, digamos glucosa, una parte se transforma en su isómero llamado dihidroxiacetona-3-fosfato. La enzima que cataliza la reacción es la fosfotriosa isomerasa.

Los dos isómeros se condensan en presencia de la enzima aldolasa que forma fructosa 1,6-bi-fosfato.

La fructosa 1,6-bi-fosfato (FBP) pierde un grupo fosfato, forma fructosa 6-fosfato (F 6-P) que luego se cambia a glucosa-6-fosfato (G 6-P). Este último puede producir glucosa o formar parte de sacarosa y polisacárido.

Como la glucosa es un compuesto de seis carbonos, se requieren seis vueltas del ciclo de Calvin para sintetizar su única molécula.

3. Regeneración de RuBP:

La fructosa 6-fosfato (F 6-P) y el gliceraldehído 3-fos y el shifato (GAP) reaccionan para formar eritrosa 4-fosfato (E 4-P) y xilulosa 5-fosfato (X 5-P). La eritrosa 4-fosfato se combina con dihidroxiacetona 3-fosfato para producir sedoheptulosa 1: 7 difosfato (SDP) que pierde una molécula de fosfato y da lugar a sedoheptulosa 7-fosfato (S 7-P).

La sedoheptulosa 7-fosfato reacciona con gliceraldehído 3-fosfato para producir xilulosa 5-fosfato (X 5-P) y ribosa 5-fosfato. (R 5-P) Ambos se cambian a su isómero ribulosa 5-fosfato (Ru 5-P). La ribulosa 5-fosfato recoge un segundo fosfato del ATP para convertirse en ribulosa 1, 5 bi-fosfato (RuBP).


Etiquetar el ciclo de Calvin

(Se necesitan 6 turnos para fijar 6 átomos de carbono del CO2)

reducción
glucosa
regeneración de RUBP
fijacion de carbon
6 ATP y # 8594 6ADP
3 ATP y # 8594 3ADP
3 moléculas de CO2
RuBisCO

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Etapas del ciclo de Calvin

Fijacion de carbon

El ciclo de Calvin comienza cuando una molécula de CO2 se une a un azúcar de cinco carbonos llamado bifosfato de ribulosa (RuBP). La enzima que cataliza este proceso se llama ribulosa bifosfato carboxilasa (o rubisco). Quizás como era de esperar, la rubisco es la proteína más abundante en la tierra.

El producto de esta reacción es muy inestable Intermedio de 6 carbonos que se divide inmediatamente en dos azúcares de 3 carbonos (3-fosfoglicerato, también llamado 3-PGA). Por cada molécula de CO2, se producen 2 moléculas de 3-PGA. El número de átomos de carbono sigue siendo el mismo.

Reducción

Un grupo fosfato de ATP se incorpora en cada molécula de 3-PGA, convirtiéndose en 1,3-bifosfoglicerato. Después de esto, el 1,3-bifosfoglicerato es reducido, y se pierde un fosfato, convirtiéndose en gliceraldehído-3-fosfato (G3P). El par de electrones requerido para esta reducción proviene de NADPH. Se proporciona energía para este proceso cuando ATP se convierte a ADP, y cuando NADPH se convierte a NADP +. Ambas moléculas luego regresan a reacciones dependientes de la luz para ser reutilizadas.

G3P tiene 3 átomos de carbono, por lo que se necesita 3 rondas del ciclo del carbono para obtener suficiente carbono para exportar una molécula de G3P. Por cada molécula de CO2 que ingresa al ciclo, hay 6 moléculas de G3P producidas. Sin embargo, esto no es un producción neta, como los hay 3 moléculas de 5 carbón RuBP requerido para cada molécula de G3P formada. Solo 1 molécula de G3P salidas el ciclo que se utilizará en la célula vegetal es el material de partida para las vías de síntesis de carbohidratos más complejos. El otro 5 las moléculas son reciclado para regenerar RuBP. Estos números se ilustran más claramente a continuación.
figura.

Regeneración

En el paso 3, RuBP es regenerado. Esto ocurre a través de una compleja secuencia de reacciones que reorganiza 5 G3P (5x3 carbonos) moléculas en 3 moléculas de RuBP (3x 5 carbonos). Este proceso lleva al menos 3 moléculas de ATP.

Una vez más, cada giro en el ciclo del carbono hace 2 G3P, asi que 3 las moléculas de dióxido de carbono hacen 6 G3P. Mientras que 1 se exporta al citoplasma, los 5 restantes se utilizan para regenerar RuBP, lo que permite que el ciclo comience de nuevo. Para el síntesis neta de 1 molécula de G3P, el ciclo de Calvin requiere un total de 9 moléculas de ATP y 6 moléculas de NADPH.


El funcionamiento interno del ciclo de Calvin

Figura 1. Las reacciones dependientes de la luz aprovechan la energía del sol para producir ATP y NADPH. Estas moléculas portadoras de energía viajan hacia el estroma donde tienen lugar las reacciones del ciclo de Calvin.

En las plantas, el dióxido de carbono (CO2) ingresa al cloroplasto a través de los estomas y se difunde en el estroma del cloroplasto, el sitio de las reacciones del ciclo de Calvin donde se sintetiza el azúcar. Las reacciones llevan el nombre del científico que las descubrió y hacen referencia al hecho de que las reacciones funcionan como un ciclo. Otros lo llaman el ciclo de Calvin-Benson para incluir el nombre de otro científico involucrado en su descubrimiento (Figura 1).

Las reacciones del ciclo de Calvin (Figura 2) se pueden organizar en tres etapas básicas: fijación, reducción y regeneración. En el estroma, además de CO2, hay otros dos químicos presentes para iniciar el ciclo de Calvin: una enzima abreviada RuBisCO y la molécula de bisfosfato de ribulosa (RuBP). RuBP tiene cinco átomos de carbono y un grupo fosfato en cada extremo.

RuBisCO cataliza una reacción entre CO2 y RuBP, que forma un compuesto de seis carbonos que se convierte inmediatamente en dos compuestos de tres carbonos. Este proceso se llama fijación de carbono, porque el CO2 se "fija" de su forma inorgánica en moléculas orgánicas.

El ATP y el NADPH usan su energía almacenada para convertir el compuesto de tres carbonos, 3-PGA, en otro compuesto de tres carbonos llamado G3P. Este tipo de reacción se llama reacción de reducción, porque implica la ganancia de electrones. Una reducción es la ganancia de un electrón por un átomo o una molécula. Las moléculas de ADP y NAD +, resultantes de la reacción de reducción, regresan a las reacciones dependientes de la luz para ser re-energizadas.

Una de las moléculas de G3P abandona el ciclo de Calvin para contribuir a la formación de la molécula de carbohidrato, que comúnmente es glucosa (C6H12O6). Debido a que la molécula de carbohidrato tiene seis átomos de carbono, se necesitan seis vueltas del ciclo de Calvin para hacer una molécula de carbohidrato (una por cada molécula de dióxido de carbono fijada). Las moléculas restantes de G3P regeneran RuBP, lo que permite que el sistema se prepare para el paso de fijación de carbono. El ATP también se usa en la regeneración de RuBP.

Figura 2. El ciclo de Calvin tiene tres etapas. En la etapa 1, la enzima RuBisCO incorpora dióxido de carbono en una molécula orgánica. En la etapa 2, la molécula orgánica se reduce. En la etapa 3, RuBP, la molécula que inicia el ciclo, se regenera para que el ciclo pueda continuar.

En resumen, se necesitan seis vueltas del ciclo de Calvin para fijar seis átomos de carbono del CO2. Estos seis giros requieren el aporte de energía de 12 moléculas de ATP y 12 moléculas de NADPH en el paso de reducción y 6 moléculas de ATP en el paso de regeneración.

Mira esta animación del ciclo de Calvin. Haga clic en Stage 1, Stage 2 y luego Stage 3 para ver que G3P y ATP se regeneran para formar RuBP.

Evolución en acción: fotosíntesis

Figura 3. Vivir en las duras condiciones del desierto ha llevado a plantas como este cactus a desarrollar variaciones en reacciones fuera del ciclo de Calvin. Estas variaciones aumentan la eficiencia y ayudan a conservar agua y energía. (crédito: Piotr Wojtkowski)

La historia evolutiva compartida de todos los organismos fotosintéticos es conspicua, ya que el proceso básico ha cambiado poco a lo largo del tiempo. Incluso entre las hojas tropicales gigantes de la selva y las cianobacterias diminutas, el proceso y los componentes de la fotosíntesis que utilizan el agua como donante de electrones siguen siendo prácticamente los mismos. Los fotosistemas funcionan para absorber luz y utilizan cadenas de transporte de electrones para convertir energía. Las reacciones del ciclo de Calvin ensamblan moléculas de carbohidratos con esta energía.

Sin embargo, como ocurre con todas las vías bioquímicas, una variedad de condiciones conduce a adaptaciones variadas que afectan el patrón básico. La fotosíntesis en plantas de clima seco (Figura 3) ha evolucionado con adaptaciones que conservan el agua. En el duro calor seco, cada gota de agua y energía preciosa debe usarse para sobrevivir. En tales plantas se han desarrollado dos adaptaciones. En una forma, un uso más eficiente de CO2 permite que las plantas realicen la fotosíntesis incluso cuando el CO2 es escasa, como cuando los estomas se cierran en los días calurosos. La otra adaptación realiza reacciones preliminares del ciclo de Calvin por la noche, porque al abrir los estomas en este momento se conserva el agua debido a las temperaturas más frías. Además, esta adaptación ha permitido que las plantas realicen bajos niveles de fotosíntesis sin abrir para nada los estomas, un mecanismo extremo para afrontar periodos extremadamente secos.


Las 3 etapas principales del ciclo de Calvin (con diagrama)

(c) Formación de azúcar hexosa y regeneración de RuBP que consume ATP adicional, de modo que el ciclo continúa (Fig. 11.18).

Pasos detallados del ciclo de Calvin (C3-ciclo) o el ciclo de PCR que también se han mostrado en la figura 11.18A, son los siguientes:

(a) Carboxilación:

(i) El CO2 es aceptado por la ribulosa 1, 5-bisfosfato (RuBP) ya presente en las células y se forma un compuesto de adición de 6 carbonos que es inestable. Pronto se hidroliza en 2 moléculas de ácido 3-fosfoglicérico (3PGA). Ambas reacciones tienen lugar en presencia de ribulosa bisfosfato carboxilasa (Rubisco). El ácido 3-fosfoglicérico es el primer producto y efecto estable de la reacción oscura de la fotosíntesis.

(b) Reducción:

(ii) El ácido 3-fosfoglicérico se reduce a 3-fosfogliceraldehído por el poder de asimilación (generado en la reacción de luz) en presencia de triosa fosfato deshidrogenasa.

Esta reacción y timidez se lleva a cabo en dos pasos:

(c) Formación de azúcar hexosa y regeneración de RuBP:

(iii) Algunas de las moléculas de 3-fosfogliceraldehído se isomerizan en fosfato de dihidroxiaeetona, los cuales luego se unen en presencia de la enzima aldolasa para formar fructosa 1,6-bisfofato.

(iv) La fructosa 1,6-bisfosfato se convierte en fructosa 6-fosfato en presencia de fosfatasa.

(v) Parte de la fructosa-6-fosfato (azúcar hexosa) se extrae del ciclo de Calvin y se convierte en glucosa, sacarosa y almidón. La sacarosa se sintetiza en el citosol, mientras que el almidón se sintetiza en el cloroplasto.

(vi) Algunas de las moléculas de 3-fosfogliceraldehído producidas en el paso (ii) en lugar de formar azúcares hexosa, se desvían para regenerar ribulosa 1, 5-bisfosfato en el sistema de la siguiente manera:

(vii) El 3-fosfogliceraldehído reacciona con fructosa-6-fosfato en presencia de enzima transcetolasa para formar eritrosa-4-fosfato (azúcar de 4 átomos de C) y xilulosa 5-fosfato (azúcar de 5 átomos de C).

(viii) La eritrosa-4-fosfato se combina con el fosfato de dihidroxiaceotona en presencia de la enzima aldolasa para formar sedoheptulosa 1,7-bisfosfato (azúcar de 7 átomos de C).

(ix) Sedoheptulosa 1,7-bisfosfato pierde un grupo fosfato en presencia de fosfatasa para formar sedoheptulosa-7-fosfato.

(x) Sedoheptulosa-7 fosfato reacciona con 3-fosfogliceraldehído en presencia de transcetolasa para formar xilulosa-5-fosfato y ribosa-5-fosfato (ambos azúcares de 5 átomos de carbono).

(xi) La xilulosa-5-fosfato se convierte en otro azúcar de 5 átomos de C, ribulosa-5-fosfato en presencia de la enzima fosfocetopentosa epimerasa.

(xii) La ribosa-5-fosfato también se convierte en ribulosa-5-fosfato. La reacción es catalizada por la fosfopentosa isomerasa.

(xiii) La ribulosa-5-fosfato se convierte finalmente en ribulosa 1, 5-bisfosfato en presencia de fosfopentosa quinasa y ATP, completando así el ciclo de Calvin.

Las fórmulas estructurales de varios azúcares de 4, 5 y 7 átomos de C involucrados en el ciclo de Calvin se muestran en la figura 11.19.

Debido a que el primer producto visible de este ciclo es el ácido 3-fosfoglicérico, que es un compuesto 3-C, el ciclo de Calvin también se conoce como C3-ruta. (Estudios recientes con células de algas, hojas y cloroplastos aislados han demostrado que las & # 8216 reacciones oscuras & # 8217 de la fotosíntesis no son completamente independientes de la luz.

Varias enzimas críticas en el ciclo de reducción de carbono se activan con la luz en la oscuridad, están inactivas o exhiben baja actividad. La actividad de la enzima Rubisco disminuye rápidamente cuando se apaga la luz y se recupera lentamente cuando se enciende la luz. Se sabe que al menos otras cuatro enzimas del ciclo de PCR son estimuladas por luz, a saber, 3-PGAld deshidrogenasa (reacción ii), fructosa 1, 6-bis fosfatasa (reacción iv), Sedoheptulosa 1, 7-bisfosfatasa y ribulosa 5-fosfato quinasa (reacción xiii). Por lo tanto, la designación & # 8220 reacción oscura & # 8221 a las reacciones fotosintéticas de reducción de carbono ahora se considera inapropiada).


Productos del ciclo de Calvin (CIE A-level Biology)

Profesor de ciencias de oficio, ¡también se me ha encontrado enseñando matemáticas y educación física! Sin embargo, por extraño que parezca, mi verdadero amor es diseñar recursos que puedan ser utilizados por otros profesores para maximizar la experiencia de los estudiantes. Pienso constantemente en nuevas formas de involucrar a un estudiante con un tema y trato de implementarlo en el diseño de las lecciones.

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Esta lección con todos los recursos describe la conversión de los intermedios del ciclo de Calvin en carbohidratos, lípidos y aminoácidos. El atractivo y detallado PowerPoint y los recursos que lo acompañan se han diseñado principalmente para cubrir el punto 13.1 (h) de la especificación de Biología de nivel A de CIE sobre los usos de GP y TP, pero como la lección hace referencias continuas a moléculas biológicas, puede actuar como un herramienta de revisión para gran parte del contenido del tema 2.

La lección anterior describió las tres etapas del ciclo de Calvin y esta lección se basa en ese entendimiento para demostrar cómo se utilizan los intermedios del ciclo, GP y TP. El comienzo de la lección desafía a los estudiantes a identificar dos errores en un diagrama del ciclo para que puedan recordar que la mayoría de las moléculas de TP se utilizan en la regeneración de bisfosfato de ribulosa. Una versión de prueba de Pointless se ejecuta a lo largo de la lección y se utiliza para desafiar a los estudiantes a recordar una molécula biológica a partir de su descripción. Una vez que se ha revelado cada molécula, se toma un tiempo para repasar los detalles de la formación y síntesis de esta molécula a partir de TP o de GP en el caso de los ácidos grasos y aminoácidos. Las siguientes moléculas se consideran en detalle durante esta lección:

  • glucosa (y fructosa y galactosa)
  • sacarosa
  • almidón y celulosa
  • glicerol y ácidos grasos
  • aminoácidos
  • ácidos nucleicos

Se utiliza una variedad de actividades para desafiar su conocimiento previo de estas moléculas y siempre se muestran esquemas de calificación para las preguntas de estilo de examen para permitir que los estudiantes evalúen su comprensión.

Como se detalló anteriormente, esta lección se ha escrito específicamente para relacionarse con las lecciones anteriores de este tema sobre la estructura del cloroplasto, la etapa de fotosíntesis dependiente de la luz y el ciclo de Calvin.

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Un paquete es un paquete de recursos agrupados para enseñar un tema en particular, o una serie de lecciones, en un solo lugar.

Temas 12 y 13: Respiración y fotosíntesis (Biología CIE A-level)

La respiración y la fotosíntesis son dos de los temas que se evalúan con mayor frecuencia en los exámenes terminales de nivel A, pero a menudo los estudiantes no los entienden bien. Estas 14 lecciones se han planificado de manera intrincada para contener una amplia gama de actividades que involucrarán y motivarán a los estudiantes mientras cubren los detalles clave para tratar de profundizar su comprensión e incluyen preguntas de estilo de examen para que estén completamente preparados para estas evaluaciones. Los siguientes puntos de especificación en los temas 12 y 13 del curso de Biología de nivel A de CIE están cubiertos por estas lecciones: * La necesidad de energía en los organismos vivos * Las características del ATP * La síntesis de ATP por fosforilación a nivel de sustrato en la glucólisis y la Ciclo de Krebs * Los roles de las coenzimas en la respiración * La síntesis de ATP a través de la cadena de transporte de electrones en las mitocondrias y cloroplastos * Los valores de energía relativa de carbohidratos, lípidos y proteínas como sustratos respiratorios * Determinación del cociente respiratorio a partir de ecuaciones para la respiración * El cuatro etapas de la respiración aeróbica * Un esquema de la glucólisis * Cuando hay oxígeno disponible, el piruvato se convierte en acetil CoA en la reacción de enlace * Los pasos del ciclo de Krebs * Fosforilación oxidativa * La relación entre la estructura y función de la mitocondria * Distinguir entre respiración aeróbica y anaeróbica en tejido de mamíferos y en células de levadura * La respiración anaeróbica genera como mayor rendimiento de ATP y acumula una deuda de oxígeno * Los productos de la etapa dependiente de la luz se utilizan en el ciclo de Calvin * La estructura de un cloroplasto y los sitios de las etapas de fotosíntesis dependientes e independientes de la luz * La luz- etapa dependiente de la fotosíntesis * Las tres etapas del ciclo de Calvin * La conversión de los intermedios del ciclo de Calvin en carbohidratos, lípidos y aminoácidos * Explicar el término factor limitante en relación con la fotosíntesis * Explicar los efectos de los cambios en la intensidad de la luz, la concentración de dióxido de carbono y temperatura en la tasa de fotosíntesis * Explicar cómo se usa la comprensión de los factores limitantes para aumentar el rendimiento de los cultivos en ambientes protegidos Debido al detalle de estas lecciones, se estima que se necesitarán hasta 2 meses de tiempo de enseñanza de nivel A asignado para cubra los detalles incluidos en las diapositivas de estas lecciones Si desea probar la calidad de las lecciones, descargue los roles de las coenzimas, el ciclo de Krebs y los productos de las lecciones del ciclo de Calvin, ya que se han compartido de forma gratuita

Tema 13: Fotosíntesis (Biología CIE A-level)

Este paquete contiene 5 lecciones con todos los recursos que son muy detalladas y atraerán y motivarán a los estudiantes mientras se cubre el siguiente contenido que se establece en el tema 13 de la especificación de biología CIE A-level: Tema 13.1 * Energía transferida como ATP y reducida El NADP de la etapa dependiente de la luz se usa durante el ciclo de Calvin para producir moléculas orgánicas complejas * Los sitios de las etapas de fotosíntesis dependientes e independientes de la luz * La etapa dependiente de la luz como la fotoactivación de la clorofila, la fotólisis del agua transferencia de energía a ATP y NADP reducido * Fotofosforilación cíclica y no cíclica * Las tres etapas principales del ciclo de Calvin * La conversión de los intermedios del ciclo de Calvin en carbohidratos, lípidos y aminoácidos Tema 13.2 * Explicar el término factor limitante en relación con la fotosíntesis * Explica los efectos de los cambios en la intensidad de la luz, la concentración de dióxido de carbono y la temperatura en la tasa de fotosíntesis * Explica cómo Se utiliza una comprensión de los factores limitantes para aumentar el rendimiento de los cultivos en entornos protegidos.Los PowerPoints de la lección y los recursos que la acompañan contienen una amplia gama de tareas que incluyen preguntas de estilo de examen, períodos de discusión de toda la clase y concursos de preguntas que están diseñados para introducir términos y valores clave en de una manera memorable.


El interfuncionamiento del ciclo de Calvin

En las plantas, el dióxido de carbono (CO2) ingresa al cloroplasto a través de los estomas y se difunde en el estroma del cloroplasto, el sitio de las reacciones del ciclo de Calvin donde se sintetiza el azúcar. Las reacciones llevan el nombre del científico que las descubrió y hacen referencia al hecho de que las reacciones funcionan como un ciclo (Figura 1).

Figura 1 Las reacciones dependientes de la luz aprovechan la energía del sol para producir ATP y NADPH. Estas moléculas portadoras de energía viajan hacia el estroma donde tienen lugar las reacciones del ciclo de Calvin.

RuBisCO es una enzima que cataliza una reacción entre CO2 y RuBP, que forma un compuesto de seis carbonos que se convierte inmediatamente en dos compuestos de tres carbonos. Este proceso se llama fijacion de carbon, porque CO2 se "fija" de su forma inorgánica en moléculas orgánicas.

El ATP y el NADPH, que se produjeron durante las reacciones dependientes de la luz, utilizan su energía almacenada para convertir el dióxido de carbono en un compuesto de tres carbonos llamado G3P. Las moléculas de ADP y NAD +, que son moléculas de baja energía, regresan a las reacciones dependientes de la luz para ser re-energizadas.

Una de las moléculas de G3P abandona el ciclo de Calvin para contribuir a la formación de la molécula de carbohidrato, que comúnmente es glucosa (C6H12O6). Debido a que la molécula de carbohidrato tiene seis átomos de carbono, se necesitan seis vueltas del ciclo de Calvin para hacer una molécula de carbohidrato (una por cada molécula de dióxido de carbono fijada). Las moléculas restantes de G3P regeneran RuBP, lo que permite que el sistema se prepare para el paso de fijación de carbono. El ATP también se usa en la regeneración de RuBP.

Figura 2 El ciclo de Calvin tiene tres etapas. En la etapa 1, la enzima RuBisCO incorpora dióxido de carbono en una molécula orgánica. En la etapa 2, la molécula orgánica se reduce. En la etapa 3, RuBP, la molécula que inicia el ciclo, se regenera para que el ciclo pueda continuar.

En resumen, se necesitan seis vueltas del ciclo de Calvin para fijar seis átomos de carbono del CO2. Estos seis giros requieren el aporte de energía de 12 moléculas de ATP y 12 moléculas de NADPH en el paso de reducción y 6 moléculas de ATP en el paso de regeneración.


Ciclo de Calvin TED-ED - Biología

Resumen del artículo:

El ciclo de Calvin es lo que se conoce como reacciones oscuras en la fotosíntesis. Está dividido en tres fases. La primera fase es la carboxilación, donde el CO2 reacciona con 3 moléculas de rubisco para carboxilar ribulosa-1,5-bisfosfato para producir 6 moléculas de 3-fosfoglicerato. La segunda fase es la reducción de 3-fosfogliceraldehído para dar gliceraldehído-3-fosfato. La fase de reducción se divide en dos pasos en los que, en primer lugar, el ATP fosforila el 3-fosfoglicerato para dar 1,3-bisfosfoglicerato que luego se reduce a 6 moléculas de gliceraldehído-3-fosfato usando energía de NADPH. Una molécula de gliceraldehído-3-fosfato se convierte en triosa fosfatos que a su vez se convierten en los carbohidratos sacarosa y almidón.La última fase es la fase de regeneración, donde el aceptor de CO2 ribulosa-1,5-bisfosfato se regenera a partir de las otras 5 moléculas. de gliceraldehído -3-fosfato. Estas reacciones son catalizadas por enzimas que se analizarán en este artículo y cómo su regulación del ciclo de Calvin impacta en la fotosíntesis.

Fase 1: Carboxilación

En una reacción química catalizada por ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa-oxigenasa (rubisco), 3 moléculas de CO2 se unen a 3 moléculas de ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP) en presencia de tres moléculas de agua para dar 6 moléculas de 3-fosfogliceraldehído y 6H +.
Este paso inicial es muy importante ya que incorpora CO2 y, por lo tanto, inicialmente muchos estudios se centraron en esta reacción para intentar mejorar la fotosíntesis. Esto se hizo inicialmente tratando de reducir o desactivar la actividad oxigenasa de rubisco, ya que el CO2 y el O2 compiten por el mismo sitio para unirse y, por lo tanto, si esto se manipula para que solo se pueda unir CO2, entonces habrá más CO2 para unirse. reducir a carbohidratos. Pero estas manipulaciones aún no han tenido éxito.

Ahora se han realizado más estudios centrados en manipular los niveles de rubisco. Los estudios mostraron que el rubisco en sí mismo regula la fotosíntesis al estar regulado por los niveles de CO2, la intensidad de la luz y también los niveles de nitrógeno. En un estudio de Raines (2003) utilizando plantas antisentido de rubisco con rubisco reducido, se observó que la reducción de los niveles de rubisco en plantas en las mismas condiciones en las que se cultivó la planta no tiene ningún efecto significativo sobre la fotosíntesis. Sin embargo, cuando una planta antisentido de tabaco cultivada bajo CO2 ambiental y luz moderada se expuso a luz saturada y / o CO2 saturado, se observó un aumento en el control de la rubisco sobre la fotosíntesis, lo que llevó a la conclusión de que la rubisco está regulada por la disponibilidad de CO2 y por la luz. intensidad y, por tanto, a su vez regulada la fotosíntesis.

a) 6 3-fosfogliceraldehído + 6ATP que da como resultado 6 1,3-bisfosfoglicerato + 6ADP
Catalizado por 3-fosfoglicerato quinasa

b) 6 1,3-bisfosfoglicerato + 6NADPH + H + que produce 6 gliceraldehído-3-fosfato + 6NADP + + 6Pi Catalizado por GAPDH.

Raines (2003) informó que no se observó ningún efecto sobre la fotosíntesis cuando se cultivaron plantas de tabaco antisentido con GAPDH reducida en condiciones de invernadero de altas luces, pero se observó algún efecto cuando la actividad de GADPH se redujo a un 35% por debajo de la planta de tipo salvaje.

De las 6 moléculas de gliceraldehído-3-fosfato producidas en la fase de reducción, 5 de ellas pasan a la fase de regeneración para regenerar las 3 moléculas de la RuBP que se une al CO2 y 1 molécula va hacia la síntesis de carbohidratos (azúcares y otros compuestos)

Esto ocurre en muchos pasos de reacción y cada uno y la enzima que lo cataliza se enumeran a continuación y si se han realizado estudios para ver cómo la enzima en particular regula la fotosíntesis, se discuten estos estudios y sus hallazgos.

a) 2 gliceraldehído-3-fosfato que produce 2 dihidroxiacetona-3-fosfato, catalizado por triosa fosfato isomerasa

b) Gliceraldehído-3-fosfato + dihidroxiacetona-3-fosfato que produce fructosa-1,6-bisfosfato, catalizada por aldolasa

Se ha observado que los niveles de aldolasa en las plantas tienen un control significativo sobre la fotosíntesis, considerando la partición del carbono (Raines, 2003). Los estudios han demostrado que los niveles reducidos de aldolasa (en plantas antisentido de aldolasa) dan como resultado niveles reducidos de acumulación de carbono en los niveles de almidón, pero solo se demostró que tiene un efecto sobre los niveles de sacarosa cuando su actividad se redujo al 30% del tipo salvaje niveles. Este estudio demostró por primera vez que una enzima no regulada que cataliza una reacción libremente reversible puede tener un efecto o control significativo sobre el flujo de carbono fotosintético.

c) Fructosa-1,6-bisfosfato + H2O que produce fructosa-6-fosfato + Pi, catalizada por fructosa-1,6-bisfosfato fosfatasa (FBPasa)

La FBPasa es una enzima regulada clave y se han realizado algunos estudios para ver si tiene algún efecto sobre la fotosíntesis (Raines, 2003). En cuanto a la GAPDH, se observó que la FBPasa no tiene un efecto significativo sobre la fotosíntesis en las plantas de patata antisentido, pero solo se observó algún efecto cuando la actividad de la FBPasa se redujo a menos del 34% del tipo salvaje.

d) Fructosa-6-fosfato + gliceraldehído-3-fosfato que produce eritrosa-4-fosfato + xilulosa-5-fosfato, catalizada por transcetolasa

El reparto del carbono entre la sacarosa y el almidón se ve afectado por las reducciones de la transcetolasa. Los estudios han demostrado que a medida que aumenta la intensidad de la luz, también lo hace el efecto de la transcetolasa sobre la partición del carbono en las plantas de tabaco antisentido. Los resultados reales observados fueron que los niveles de sacarosa disminuyeron a medida que disminuía la actividad de la transcetolasa. Con respecto a la acumulación de almidón, los efectos solo se observaron cuando la actividad se redujo por debajo del 60% del tipo salvaje (Raines 2003). La mayoría de los estudios realizados con plantas antisentido en el ciclo de Calvin mostraron una tendencia hacia la partición del carbono hacia la biosíntesis del almidón, pero estos resultados muestran una partición del carbono a favor de la sacarosa.

e) Eritrosa-4-fosfato + dihidroxiacetona-3-fosfato que produce sedoheptulosa-1,7-bisfosfato, catalizada por aldolasa

f) Sedoheptulosa-1,7-bisfosfato + H2O que produce seduheptulosa-7-fosfato + Pi, catalizada por sedoheptulosa-1,7-bisfosfato fosfatasa (SBPasa).

SBPase también es una enzima clave regulada y se ha estudiado su efecto sobre la fotosíntesis. Los estudios demostraron que pequeñas disminuciones en la actividad de SBPasa conducen a una reducción de la fijación de carbono fotosintético en plantas de tabaco antisentido de SBPasa (Raines, 2003). plantas con menos del 20% de actividad SBPasa de tipo salvaje.

g) Sedoheptulose-7-phosphate+ glyceraldehyde-3-phosphate producing ribose-5-phosphate + xylulose-5-phosphate, catalysed by transketolase

h) 2 xylulose-5-phosphate producing 2 ribulose-5-phosphate, catalysed by ribose-5-phosphate epimorase

i) Ribose-5-phosphate producing ribulose-5-phosphate, catalysed by ribose-5-phosphate isomerase

Then the last reaction which is catalysed by ribulose-5-phosphate kinase also called phosphoribulokinase PRKase) is:

j) 3 ribulose-5-phosphate + 3ATP producing 3 ribulose-1,5-phosphate +3ADP +3H+

PRKase is also a key, regulated enzyme and like FBPase and GAPDH, has not been observed to have any significant effect on photosynthesis (Raines 2003).It was observed that activity of PRKase have to be reduced to less than 20% than the wild-type plants, in PRKase antisense tobacco plants, before a decrease in photosynthesis can be observed, when the plants were grown in low light or in nitrogen deficient conditions.

The net equation of the Calvin cycle from all the three phases is thus

3CO2 +5H2O +6NADPH +9ATP producing glyceraldehyde-3-phosphate + 6NADP+ + 3H+ + 9ADP +8Pi

The molecule of glyceraldehyde-3-phosphate that goes into the production of carbohydrate is converted via a cascade of reactions which are also catalysed by different enzymes.

Some of the enzymes mentioned above that did not seem to have any regulatory effect on photosynthesis in the Calvin cycle, can have regulatory effect in other pathways of photosynthesis, thus regulating it in a way. The carbon from the Calvin cycle is partitioned inside the cell into either sucrose synthesis, which is the main transportation molecule of sugars in plants or into starch biosynthesis which is the main storage form of carbohydrates is plants. Therefore these two biosynthesis pathways can have a regulatory effect in photosynthesis and thus they can also be looked at in order to see their effect. By genetic manipulation of these pathways the rate of photosynthesis can be regulated by bioengineers like in the case of sugarcane or potato where high photosynthesis rates are needed for sucrose and starch accumulation respectively.

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Ver el vídeo: Natures smallest factory: The Calvin cycle - Cathy Symington (Julio 2022).


Comentarios:

  1. Birley

    Creo que estás cometiendo un error. Propongo discutirlo. Envíeme un correo electrónico a PM, hablaremos.

  2. Gror

    Que interesante idea..

  3. Alister

    Agradezco la ayuda en esta pregunta, ahora no cometeré tal error.

  4. Caomh

    Pido disculpas por interferir... Entiendo este problema. Te invito a un debate. Escribe aquí o en PM.

  5. Theon

    Lo leí tanto que me perdí mi programa favorito)



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