Prima metodă, folosită de Calvin, - metoda carbonului radioactiv. Izotopii radioactivi sunt proprietăți chimice aproape identice ale grajdului. Luând parte la reacție, ca și în cazul în care marca acei compuși care cad. Rata de descompunere a izotopilor radioactivi este proporțională cu numărul lor. Radiația emisă de acestea în procesul de descompunere, poate fi măsurată cu ușurință. Toate acestea creează posibilitatea utilizării metodei de izotopi radioactivi în studiul chimiei fotosintezei.
Conform acestei scheme, RBF este acceptor, care se atașează C02. rezultând un PGA. Cu toate acestea, în absența luminii RBF este folosit pentru a rapid și dispare. În această cantitate cunoscută de PGA acumulează. Aceasta este ceea ce se observă în experiment. Participarea la lumină la produsul fazei de lumină este readus la FHA fosfogliceraldehid (PHA). Soarta moleculelor formate PHA este diferit. Parțial PHA printr-o serie de reacții folosite pentru regenerarea acceptorului (RBF). Pentru procesul de regenerare RBF necesită de asemenea ATP format în faza de lumină. Din acest motiv, numărul de RBF în lumina este menținută la un nivel constant. In fiecare ciclu, luând trei părți moleculă acceptor (RBF) și 6 molecule triose formate (PHA). Cinci molecule PHA este pe regenerarea acceptorului printr-o serie de intermediari. Fiecare al șaselea molecula PGA din bucla si este folosit pentru a construi carbohidrați și alți metaboliți. Luați în considerare mai în detaliu ciclul.
Ciclul Calvin poate fi împărțit în etape.
Prima fază - carbonatare. Această reacție este catalizată de o enzimă specifică pentru fotosinteză ribulozobisfosfat carboxilaza / oxigenază (prescurtat RBF carboxilaza / oxigenazei), în literatura de specialitate, în ultimii ani, mai frecvent numit Rubisco, de la ribulosobiphosphatecarboxylase / oxigenazică. Rubisco a fost izolat și purificat mai întâi în 1955. O caracteristică a enzimei este că ei reacția catalizată este cel mai lent pas în ciclul de fixare a dioxidului de carbon. RUBISCO frunze conținute în cantități mari și este principala proteină din fracția cloroplaste. În plus, se sugerează că acesta este cel mai abundent de proteine-enzima de pe glob. În starea activă a enzimei are loc atunci când sunt iluminate cloroplaste. Sa observat că formarea enzimei are loc sub controlul a două genomuri: subunitatea mare (54 kDa) sunt codificate în nucleu, sunt sintetizate în citoplasmă; mici - codificate și sintetizate în cloroplast. În reacția cu RBF format C02 primul compus intermediar instabil șase carbon, care ulterior se descompune în două molecule PGA. PGA rezultant - este un acid organic, iar nivelul de energie este sub nivelul de zaharuri. Prin urmare, acest compus nu poate fi convertit direct în carbohidrați. Este necesar să-l transforme în zahăr cu trei carbon - fosfogliceraldehid (PHA).
A doua fază - restaurare. Conversia ulterioară a PGA necesită implicarea fazei ușoare a produselor fotosinteza ATP și NADPH + H +. Reacția are loc în două etape. În primul rând, există o reacție de fosforilare a 3-PGA. donator grup de fosfat este ATP. ATP-ul este necesară aici ca sursă de energie suplimentară. 1,3-a format difosfoglitserinovaya acidă. Reacția catalizată de enzima fosfoglitserokinazoy:
Compusul rezultat în această reacție - acidul difosfoglitserinovaya - are o reactivitate mai mare, conține legătură bogată în energie derivată din ATP. Apoi, gruparea carboxil a acestui compus redus la aldehidă folosind triozofosfatdegidrogenazy a cărei coenzima este NADPH.
APH rezultat este recuperat prin nivelul de glucide. Acest compus este supus ultimelor două faze. Cinci molecule PHA utilizate în regenerarea RBF acceptor la fixarea poate fi realizată C02 din nou. A sasea molecula rămasă intră într-o fază de „produse de fuziune“, care este transformat în compuși mai complexe (glucide, aminoacizi, etc.).
A treia fază - regenerare. În procesul de regenerare a moleculelor acceptoare utilizate cinci PHA, rezultând în formarea a trei molecule de ribulozo-5-phos-voal. Acest proces implică formarea de compuși 4-, 5-, 6-, 7-carbon. În primul rând, prima moleculă PHA izomerizat fosfodioksiatsetona. Procesul este catalizată de enzima triose fosfat izomerază. FDF este clivat de fosfat și FDF este transformată în fructoză 6-fosfat (F-6-P). Mai mult, de la F-6-P (C6) scindate fragment 2-carbon (CO-CH2-OH), care este transferat la următoarea (a treia) triose. Se transcetolază reacția are loc prin transcetolază enzimei. Rezultatul este un prim pentoză (C5) -ribulezofosfat. Din F-6-P este un eritrozofosfat zahar fosforilare 4-carbon. În acest scop, trei molecule de ATP formate prin reacții ușoare. Toate reacțiile incluse în ciclul format triose fosfat (APH) intră în a patra etapă a reacțiilor întunecate - etapa de formare a produselor de fotosinteză. (C4), care se condensează pentru a forma un al patrulea sedogeptulezodifosfata triose (C7). După scindarea fosfat este transformată în sedogeptulezofosfat sedogeptulezodifosfat. Reacția suplimentară transcetolază are loc din nou, ceea ce a dus la sedogeptulezofosfata clivate din fragmentul 2-carbon, care este transferat la a cincea formând două triose ribulezofosfata o altă moleculă. Astfel, rezultatul obținut prin reacțiile de mai sus 3 molecula ribulezofosfata. Odată cu trecerea a două cicluri ale celor 12 molecule formate PHA doua molecule provin din ele, formând o singură moleculă fruktozodifosfata (FDF). Dintre cele două fruktozodifosfata molecule (F-1, 6-DIF) formate fructoza 6-fosfat (F-6-P) și glucoză 1-fosfat (G-1-F). Glucoza 1-fosfat, care interacționează cu trifosfat uridin (UTP), dă uridindifosfoglyukozu (UDPG-ului). UDPG-ului la rândul său, reacționează cu F-6-P, dă saharozofosfat. Aparent, acesta este primul zahăr zaharoză liber format în timpul fotosintezei. monozaharide sucroza nefosforilate formă (glucoză și fructoză). Amidonul este format din adenozindifosfoglyukozy (ADFG) sau uridindifosfoglyukozy (UDPG-ului), procesul este catalizată de enzima amilosintetazoy. Printre primele produse ale fotosintezei relevat aminoacizi. Aparent, FHA, format în prima etapă a ciclului Calvin, poate fi transformată în acid piruvic. Acest proces este deosebit de intens la lipsa de NADPH, motiv pentru care conversia PGA întârziat de PHA (mod normal în ciclul Calvin). acid piruvic în prezență de NH3 produce aminoacidul alanină. Se arată că rata de încorporare în alanina 14 celule Chlorella C02 în anumite condiții, poate chiar să depășească viteza includerii sale în zaharoză. un număr de acizi organici pot fi formate din acid piruvic (în ciclul Krebs).
Acidul organic rezultat în timpul aminare sau transaminare da aminoacidul. Prin ea însăși, sinteza aminoacizilor nu înseamnă formarea proteinelor. Cu toate acestea, sa demonstrat că între aceste două procese există o legătură directă. Astfel, sub influența razelor de lumină albastră (458-480 nm) este îmbunătățită formarea fotosintetic aminoacizi și proteine. În prezența luminii albastre nu manifestă acțiunea inhibitorilor sintezei proteinelor. În final, intermediarii ciclului Calvin pot fi formate grăsimi, lipide și alte produse. Compoziția produselor formate în timpul fotosintezei poate fi determinată pe baza valorilor ratei de fotosinteză. Sub Coeficientul fotosintetic este raportul selectat în procesul de fotosinteză a oxigenului absorbit C02. În cazul în care se formează hidrați de carbon în timpul fotosintezei, în funcție de totalul ecuației dată, rata de fotosinteză ar trebui să fie egală unitate: 602 / 6S02 = 1. în formarea compușilor recuperați (conținând mai puțin oxigen), comparativ cu carbohidrați, rata de fotosinteză trebuie să fie mai mare decât unitatea. În cazul formării raportului proteine fotosintetic este de 1,25 în cazul grăsimilor - 1,44. Valoarea medie pentru coeficientul de specii de plante fotosintetice 27 sa dovedit a fi 1,04. Calculele au arătat că o astfel de cantitate de rată fotosintetice care indică formarea de hidrați de carbon, împreună cu o anumită cantitate de proteine (aproximativ 12%). Se constată că magnitudinea ratei fotosintetice variază în funcție de condițiile. Preponderența razelor albastre de roșu crește proporția de proteine generate, în timp ce lumina roșie favorizează formarea de carbohidrati (NP Voskresenskaya). Amplificarea de aprovizionare cu azot a plantelor este în mod natural crește, de asemenea, rata de fotosinteză și crește sinteza proteinelor primare. Există dovezi că calitatea produselor fotosintezei este influentata de intensitatea luminii. La luminanță ridicată a format mai mulți carbohidrați, în timp ce la rece - aminoacizi.
Cu toate acestea, principalele produse ale fotosintezei sunt zaharuri. În acest sens, după cum urmează decripta fotosinteza generală ecuație. Pe baza acestor reacții, putem calcula echilibrul energetic al ciclului Calvin. Pentru a recupera șase molecule de la nivelul C02 de glucide (glucoză) necesită 18 ATP și 12 NADPH. Prin urmare, pentru recuperarea carbohidraților la nivelul unei molecule C02 necesită trei molecule de ATP și două NADPH. Așa cum am văzut, pentru a forma două molecule de NADPH și două molecule de ATP trebuie să fie de 8 cuante de lumină. cantitatea de ATP format în timpul fosforilării ciclice lipsesc. În consecință, pentru recuperarea unei molecule dintr-un nivel de carbohidrati la C02 ar trebui să fie cheltuite 8-9 Quanta. Razele de lumină roșie de energie este egală cu 168 kJ / mol. Astfel, atunci când se utilizează razele de lumină roșie la restabilirea o moleculă a unui nivel de carbohidrati la C02 petrecut aproximativ 1340- 1508 kJ. Din acest mol Y6 energie hexoz intarziata 478 kJ. eficiența fotosinteză, în acest caz, ar trebui să fie de aproximativ 30-35%. Cu toate acestea, în lumina factor de utilizare in vivo este considerabil mai mic. Spre deosebire de enzimele implicate în lanțul de transport de electroni (faza de lumină a fotosintezei), Calvin enzimele ciclului localizate în stroma din cloroplaste. Aplicarea coordonată a tuturor reacțiilor facilitat de faptul că aceste enzime sunt adesea asociate pe suprafața membranei și cuprind anumite ansambluri. Cale asimilare de carbon în timpul fotosintezei montat Calvin și a propus ca ciclul Calvin, este comună tuturor organismelor autotrofe. Cu toate acestea, există diferite moduri de a transfera în ciclul C02 Calvin. De exemplu, oamenii de știință australieni MD Hatch și CR Slack (1966), YS om de știință sovietici Karpilov (1960) au arătat că anumite plante, predominant tropicale și subtropicale (inclusiv porumb, trestie de zahăr, amaranth, mei, sorg), fotosinteza este ușor diferit. În acest caz, primul produs al carboxilarea unui compus care conține 4 atomi de carbon. Prin urmare, această cale se numește o cale C4, în contrast cu ciclul Calvin, în care este format PGA, conținând 3 atomi de carbon (C3 cale).