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5.3: El ciclo de Calvin - Biología

5.3: El ciclo de Calvin - Biología



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Una vez que la energía del sol se convierte y se empaqueta en ATP y NADPH, la célula tiene el combustible necesario para producir alimentos en forma de moléculas de carbohidratos. Las moléculas de carbohidratos fabricadas tendrán una columna vertebral de átomos de carbono. ¿De dónde viene el carbono? Los átomos de carbono que se utilizan para construir moléculas de carbohidratos provienen del dióxido de carbono, el gas que exhalan los animales con cada respiración. El ciclo de Calvin es el término utilizado para las reacciones de fotosíntesis que utilizan la energía almacenada por las reacciones dependientes de la luz para formar glucosa y otras moléculas de carbohidratos.

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. Otros lo llaman el ciclo de Calvin-Benson para incluir el nombre de otro científico involucrado en su descubrimiento (Figura ( PageIndex {1} )).

Las reacciones del ciclo de Calvin (Figura ( PageIndex {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, vuelven a las reacciones dependientes de la luz para ser reactivados.

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.

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.

CONCEPTO EN ACCIÓN

El siguiente es un enlace a una 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

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 en gran medida 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 ( PageIndex {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 a las plantas realizar bajos niveles de fotosíntesis sin abrir los estomas en absoluto, un mecanismo extremo para afrontar periodos extremadamente secos.

Fotosíntesis en procariotas

Se han descrito las dos partes de la fotosíntesis, las reacciones dependientes de la luz y el ciclo de Calvin, ya que tienen lugar en los cloroplastos. Sin embargo, los procariotas, como las cianobacterias, carecen de orgánulos unidos a la membrana. Los organismos autótrofos fotosintéticos procariotas tienen pliegues de la membrana plasmática para la unión de la clorofila y la fotosíntesis (Figura ( PageIndex {4} )). Es aquí donde organismos como las cianobacterias pueden realizar la fotosíntesis.

El ciclo de la energía

Los seres vivos acceden a la energía al descomponer las moléculas de carbohidratos. Sin embargo, si las plantas producen moléculas de carbohidratos, ¿por qué necesitarían descomponerlas? Los carbohidratos son moléculas de almacenamiento de energía en todos los seres vivos. Aunque la energía se puede almacenar en moléculas como el ATP, los carbohidratos son depósitos mucho más estables y eficientes de energía química. Los organismos fotosintéticos también llevan a cabo las reacciones de la respiración para cosechar la energía que tienen almacenada en los carbohidratos, por ejemplo, las plantas tienen mitocondrias además de los cloroplastos.

Es posible que haya notado que la reacción general de la fotosíntesis:

[ ce {6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O26} ]

es el reverso de la reacción general para la respiración celular:

[ ce {6O2 + C6H12O6 → 6CO2 + 6H2O6} ]

La fotosíntesis produce oxígeno como subproducto y la respiración produce dióxido de carbono como subproducto.

En la naturaleza, no existe el desperdicio. Cada átomo de materia se conserva y se recicla indefinidamente. Las sustancias cambian de forma o se mueven de un tipo de molécula a otro, pero nunca desaparecen (Figura ( PageIndex {5} )).

CO2 no es más una forma de desecho producido por la respiración que el oxígeno es un producto de desecho de la fotosíntesis. Ambos son subproductos de reacciones que pasan a otras reacciones. La fotosíntesis absorbe energía para formar carbohidratos en los cloroplastos y la respiración celular aeróbica libera energía al usar oxígeno para descomponer los carbohidratos. Ambos orgánulos utilizan cadenas de transporte de electrones para generar la energía necesaria para impulsar otras reacciones. La fotosíntesis y la respiración celular funcionan en un ciclo biológico, lo que permite a los organismos acceder a la energía vital que se origina a millones de millas de distancia en una estrella.

Resumen

Usando los portadores de energía formados en la primera etapa de la fotosíntesis, las reacciones del ciclo de Calvin fijan el CO2 del medio ambiente para construir moléculas de carbohidratos. Una enzima, RuBisCO, cataliza la reacción de fijación, combinando CO2 con RuBP. El compuesto de seis carbonos resultante se descompone en dos compuestos de tres carbonos, y la energía en ATP y NADPH se usa para convertir estas moléculas en G3P. Una de las moléculas de tres carbonos de G3P abandona el ciclo para convertirse en parte de una molécula de carbohidrato. Las moléculas de G3P restantes permanecen en el ciclo para volver a formarse en RuBP, que está lista para reaccionar con más CO.2. La fotosíntesis forma un ciclo energético equilibrado con el proceso de respiración celular. Las plantas son capaces tanto de la fotosíntesis como de la respiración celular, ya que contienen tanto cloroplastos como mitocondrias.

Glosario

ciclo de Calvin
las reacciones de fotosíntesis que utilizan la energía almacenada por las reacciones dependientes de la luz para formar glucosa y otras moléculas de carbohidratos
fijacion de carbon
el proceso de conversión de CO inorgánico2 gas en compuestos orgánicos

5.3 El ciclo de Calvin

Una vez que la energía del sol se convierte y se empaqueta en ATP y NADPH, la célula tiene el combustible necesario para producir alimentos en forma de moléculas de carbohidratos. Las moléculas de carbohidratos fabricadas tendrán una columna vertebral de átomos de carbono. ¿De dónde viene el carbono? Los átomos de carbono que se utilizan para construir moléculas de carbohidratos provienen del dióxido de carbono, el gas que exhalan los animales con cada respiración. El ciclo de Calvin es el término utilizado para las reacciones de fotosíntesis que utilizan la energía almacenada por las reacciones dependientes de la luz para formar glucosa y otras moléculas de carbohidratos.


Capítulo 6: Introducción a la reproducción a nivel celular

Figura 6.1 Un erizo de mar comienza su vida como una sola célula que (a) se divide para formar dos células, visibles mediante microscopía electrónica de barrido. Después de cuatro rondas de división celular, (b) hay 16 células, como se ve en esta imagen SEM. Después de muchas rondas de división celular, el individuo se convierte en un organismo multicelular complejo, como se ve en este (c) erizo de mar maduro. (crédito a: modificación del trabajo de Evelyn Spiegel, Louisa Howard crédito b: modificación del trabajo de Evelyn Spiegel, Louisa Howard crédito c: modificación del trabajo de Marco Busdraghi datos de barra de escala de Matt Russell)

El organismo que se reproduce sexualmente, incluidos los humanos, comienza su vida como un óvulo fertilizado o cigoto. Trillones de divisiones celulares ocurren posteriormente de manera controlada para producir un ser humano complejo y multicelular. En otras palabras, esa única célula original era el antepasado de todas las demás células del cuerpo. Una vez que un individuo humano ha crecido por completo, la reproducción celular sigue siendo necesaria para reparar o regenerar los tejidos. Por ejemplo, constantemente se producen nuevas células sanguíneas y de la piel. Todos los organismos multicelulares utilizan la división celular para crecimiento, y en la mayoría de los casos, mantenimiento y reparar de células y tejidos. Los organismos unicelulares utilizan la división celular como método de reproducción.


1 respuesta 1

¡Buena pregunta! Para ver qué problemas puede causar ese oxígeno adicional, vayamos al núcleo de la reacción, es decir, el ciclo de Calvin-Benson paso a paso. Para empezar, eche un vistazo al ciclo detallado de Calvin-Benson (siguiente imagen tomada de aquí):

Como queda bastante claro en esta imagen, el uso real de gliceraldehído-3-fosfato está en el paso de formación de fructosa-1,6-bisfosfato. Sin embargo, no sabemos por qué no podemos usar 3-fosfoglicerato en este paso. Para eso, vayamos un paso más allá y veamos cómo la enzima en cuestión, fructosa-1,6-bisfosfato aldolasa / fosfatasa (alias aldolasa), funciona.

Dado que el artículo completo está detrás de un muro de pago, echemos un vistazo a él. Ver esta imagen 1:

Preste atención a los pasos donde entra G3P, es decir, los pasos entre B y C. Incluso sin entrar en detalles del mecanismo, obtenemos dos factores que pueden evitar que se utilice 3PGA en esta reacción:

Obstáculo estérico: reemplace el terminal -H con -OH de G3P en la primera imagen en su mente. Puede ver claramente que esto causaría algún obstáculo estérico y evitaría la formación de un enlace covalente entre DHAP y G3P.

Formación de Geminal Diol: nuevamente, reemplace el terminal -H con -OH, pero esta vez en la segunda imagen, en su mente. Obtienes diol geminal en la molécula resultante, que es famosa por su reactividad e inestabilidad. Por lo tanto, al agregar 3-PGA en lugar de G3P en la reacción, podríamos terminar con moléculas inestables que se escinden. Espero que esto sea lo que estabas buscando.


Problema: El ciclo de Calvin: a. es una vía cíclica que produce tres moléculas de carbono a partir de CO 2.b. es una vía lineal que produce tres moléculas de carbono a partir de CO 2.c. es una vía cíclica que produce ATP y NADPH d. es una vía lineal que produce ATP y NADPH.

una. es una vía cíclica que produce tres moléculas de carbono a partir de CO 2.

B. es una vía lineal que produce tres moléculas de carbono a partir de CO 2.

C. es una vía cíclica que produce ATP y NADPH.

D. es una vía lineal que produce ATP y NADPH.

Preguntas frecuentes

¿Qué concepto científico necesitas conocer para resolver este problema?

Nuestros tutores han indicado que para solucionar este problema necesitarás aplicar el concepto de ciclo de Calvin. Puede ver lecciones en video para aprender el ciclo Calvin. O si necesita más práctica de Calvin Cycle, también puede practicar los problemas de práctica de Calvin Cycle.

¿Cuál es la dificultad de este problema?

Nuestros tutores calificaron la dificultad deEl ciclo de Calvin: a. es una vía cíclica que produce tres. como dificultad baja.

¿Cuánto tiempo tarda en resolverse este problema?

Nuestra tutora experta en biología, Kaitlyn, tardó 4 minutos y 31 segundos en resolver este problema. Puede seguir sus pasos en la explicación del video anterior.

¿Para qué profesor es relevante este problema?

Según nuestros datos, creemos que este problema es relevante para la clase del profesor Pfeiffer en TCC.


Regeneración (pasos 6 a 15)

Paso 6 - Dos GAP se convierten a DHAP.

Paso 7: Aldolasa combina GAP y DHAP en FBP.

Paso 8: FBP se desfosforila en F6P.

Paso 6: La enzima Triosa fosfato isomerasa cambia la forma de dos de las cinco moléculas GAP en fosfato de dihidroxiacetona (DHAP). Dos átomos de hidrógeno se mueven desde el grupo CO central al grupo CO al final. Esto mueve el doble enlace del grupo CO en el extremo al grupo CO en el centro de la molécula. El número y los tipos de átomos en ambas moléculas son los mismos. No se consume energía neta en esta reacción. Los cambios están en rojo en la Figura 5.

Paso 7: La enzima aldolasa combina un GAP y un DHAP en una molécula de fructosa-1,6-bisfosfato (FBP) de 6 carbonos. La molécula de FBP tiene el mismo contenido atómico que las moléculas de GAP y DHAP combinadas (no se añaden ni se pierden átomos ni cargas en la conversión, y no se consume energía neta). Uno de los dos átomos de hidrógeno unidos al carbono azul DHAP se mueve al átomo verde de oxígeno en la molécula GAP. Esto libera puntos de enlace en los carbonos azul y verde, lo que hace que esos dos átomos de carbono formen un enlace covalente.

Paso 8: La enzima fructosa-1,6-bisfosfatasa utiliza la hidrólisis para desfosforilar FBP en una molécula de 6 carbonos de fructosa 6-fosfato (F6P). La hidrólisis divide una molécula de agua en grupos H y OH. El átomo de H se agrega a la molécula de FBP, lo que hace que libere el grupo fosfato inorgánico (PO3 -2). La hidrólisis no consume energía neta. Esto nos deja con una DHAP, una F6P y dos moléculas GAP.

Paso 9: Transferencia de un grupo de 2 carbonos (C2H3O2) de F6P a GAP crea E4P y Xu5P.

Paso 10: Aldolasa combina E4P y DHAP en SBP.

Paso 11: La sedoheptulosa 1,7-bisfosfatasa convierte SBP en S7P.

Paso 9: La transcetolasa transfiere una sección de 2 carbonos (C2H3O2) de F6P a GAP. Esto convierte F6P en una molécula de 4 carbonos de eritrosa-4-fosfato (E4P) y GAP en una molécula de 5 carbonos de xilulosa-5-fosfato (Xu5P). No se consumió energía neta. Ahora tenemos una molécula de E4P, una Xu5P, una DHAP y una GAP.

Paso 13: La fosfopentosa isomerasa convierte R5P en Ru5P.

Paso 10: La enzima aldolasa combina las moléculas E4P y DHAP en una molécula de sedoheptulosa 1,7-bisfosfato de 7 carbonos. Si esto le resulta familiar, es porque la aldolasa hizo casi lo mismo en el paso 7. La única diferencia esta vez es que estamos usando E4P en lugar de GAP. E4P tiene un grupo HC-OH adicional. SBP contiene todos los átomos que estaban en las moléculas E4P y DHAP. No se agregaron ni se perdieron átomos, y no se consumió energía neta en la reacción. Ahora tenemos una molécula de Xu5P, una SBP y una GAP.

Paso 12: La enzima transcetolasa transfiere un grupo de dos carbonos (C2H3O2) desde S7P hasta la última molécula de GAP restante. El grupo transferido se muestra arriba en rojo.

Paso 14: La fosfopentosa epimerasa convierte dos Xu5P en dos Ru5P.

Paso 11: La sedoheptulosa 1,7-bisfosfa-tasa convierte SBP en sedoheptulosa 7-fosfato (S7P), usando hidrólisis para desfosforilarla. Se utiliza una molécula de agua y una PI se descarta la molécula.

Paso 12: La enzima transcetolasa transfiere una sección de 2 carbonos (C2H3O2) desde la molécula S7P hasta la última molécula GAP restante. Esta es la misma molécula de 2 carbonos que se transfirió en el paso 9, pero proviene de una molécula inicial diferente. Esto convierte a S7P en una molécula de ribosa-5-fosfato (R5P) y a GAP en una molécula de Xu5P. Ahora tenemos una molécula R5P y dos Xu5P.

Paso 15: La fosforribuloquinasa utiliza tres ATP para fosforilar tres Ru5P en tres moléculas de RuBP. Estas son las mismas tres moléculas de RuBP con las que comenzamos en el paso 1, por lo que el ciclo de Calvin está completo.

Paso 13: La enzima fosfopentosa isomerasa convierte la ribosa 5-fosfato (R5P) en Ribulosa-5-fosfato (Ru5P). Ahora tenemos una molécula Ru5P y dos Xu5P.

Paso 14: La enzima fosfopentosa epimerasa convierte cada una de las dos moléculas Xu5P en Ru5P. La forma de la molécula está cambiando, pero no se agregaron ni eliminaron átomos. Ahora tenemos tres moléculas de Ru5P.

Paso 15: La fosforribuloquinasa convierte tres moléculas de ATP en ADP para fosforilar tres moléculas de Ru5P en tres moléculas de ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP). Esto nos lleva de regreso a donde comenzamos en el paso 1, que completa el ciclo de Calvin.


Reemplazo del ciclo de Calvin con la vía de la glicina reductora en Cupriavidus necator

El formato se puede producir directamente a partir de CO2 y electricidad renovable, lo que la convierte en una materia prima microbiana prometedora para la bioproducción sostenible. Cupriavidus necator es uno de los pocos huéspedes biotecnológicamente relevantes que pueden crecer en formato, pero utiliza el ineficiente ciclo de Calvin. Aquí, rediseñamos C. necator metabolismo para la asimilación del formiato a través de la vía de la glicina reductora sintética altamente eficaz. Primero, demostramos que el segmento de la vía superior es compatible con la biosíntesis de glicina a partir de formiato. A continuación, exploramos la ruta endógena para la asimilación de glicina y descubrimos una vía derrochadora dependiente de la oxidación. Al integrar la biosíntesis y asimilación de glicina, podemos reemplazar C. necatorCiclo de Calvin con la vía sintética y lograr un crecimiento formatotrófico. Luego diseñamos un metabolismo de la glicina más eficiente y usamos la evolución a corto plazo para optimizar la actividad de la vía, duplicando el rendimiento de crecimiento en formiato y cuadruplicando la tasa de crecimiento. Este estudio allana el camino hacia una plataforma microbiana ideal para realizar la bioeconomía del formato.


Melvin Calvin

Nuestros editores revisarán lo que ha enviado y determinarán si deben revisar el artículo.

Melvin Calvin, (nacido el 8 de abril de 1911 en St. Paul, Minnesota, EE. UU.; fallecido el 8 de enero de 1997 en Berkeley, California), bioquímico estadounidense que recibió el Premio Nobel de Química en 1961 por su descubrimiento de las vías químicas de la fotosíntesis.

Calvin era hijo de padres inmigrantes. Su padre era de Kalvaria, Lituania, por lo que las autoridades de inmigración de Ellis Island le rebautizaron como Calvin, su madre era de la Georgia rusa. Poco después de su nacimiento, la familia se mudó a Detroit, Michigan, donde Calvin mostró un interés temprano por la ciencia, especialmente la química y la física. En 1927 recibió una beca completa del Colegio de Minería y Tecnología de Michigan (ahora Universidad Tecnológica de Michigan) en Houghton, donde fue el primer estudiante de química de la escuela. Se ofrecieron pocos cursos de química, por lo que se matriculó en cursos de mineralogía, geología, paleontología e ingeniería civil, todos los cuales resultaron útiles en su investigación científica interdisciplinaria posterior. Después de su segundo año, interrumpió sus estudios durante un año, ganando dinero como analista en una fábrica de metales.

Calvin obtuvo una licenciatura en 1931 y luego asistió a la Universidad de Minnesota en Minneapolis, donde se doctoró en 1935 con una disertación sobre la afinidad electrónica de los átomos de halógeno. Con una beca de la Fundación Rockefeller, investigó la catálisis de coordinación, la activación de hidrógeno molecular y metaloporfirinas (porfirinas y compuestos metálicos) en la Universidad de Manchester en Inglaterra con Michael Polanyi, quien lo introdujo en el enfoque interdisciplinario. En 1937 Calvin se unió a la facultad de la Universidad de California, Berkeley, como instructor. (Fue el primer químico capacitado en otro lugar en ser contratado por la escuela desde 1912). Ascendió de rango para convertirse en director (1946) del grupo de química bioorgánica en el Laboratorio de Radiación Lawrence de la escuela (ahora Laboratorio Nacional Lawrence Livermore), director del Laboratorio de Biodinámica Química (1963), director asociado de Lawrence Livermore (1967) y profesor universitario de Química (1971).

En Berkeley, Calvin continuó su trabajo sobre la activación del hidrógeno y comenzó a trabajar sobre el color de los compuestos orgánicos, lo que lo llevó a estudiar la estructura electrónica de las moléculas orgánicas. A principios de la década de 1940, trabajó en genética molecular, proponiendo que el enlace de hidrógeno está involucrado en el apilamiento de bases de ácidos nucleicos en los cromosomas. Durante la Segunda Guerra Mundial, trabajó en complejos de cobalto que se unen de forma reversible con el oxígeno para producir un aparato generador de oxígeno para submarinos o destructores. En el Proyecto Manhattan, empleó la quelación y la extracción con solventes para aislar y purificar el plutonio de otros productos de fisión del uranio que habían sido irradiados. Aunque no se desarrolló a tiempo para su uso en tiempos de guerra, su técnica se utilizó más tarde para separaciones de laboratorio.

En 1942 Calvin se casó con Genevieve Jemtegaard, con el más tarde premio Nobel de química Glenn T. Seaborg como padrino. La pareja casada colaboró ​​en un proyecto interdisciplinario para investigar los factores químicos en el sistema del grupo sanguíneo Rh. Genevieve era una oficial de libertad condicional de menores, pero, según la autobiografía de Calvin, “pasó mucho tiempo en el laboratorio trabajando con el material antigénico. Esta fue su primera experiencia en un laboratorio químico, pero no la última de ninguna manera ". Juntos ayudaron a determinar la estructura de uno de los antígenos Rh, al que llamaron elinin por su hija Elin. Tras el embargo de petróleo después de la guerra árabe-israelí de 1973, buscaron plantas adecuadas, por ejemplo, género Euforbia, para convertir la energía solar en hidrocarburos para combustible, pero el proyecto no fue económicamente viable.

En 1946, Calvin comenzó su trabajo ganador del premio Nobel sobre la fotosíntesis. Después de agregar dióxido de carbono con trazas de carbono-14 radiactivo a una suspensión iluminada del alga verde unicelular Chlorella pyrenoidosa, detuvo el crecimiento del alga en diferentes etapas y usó cromatografía en papel para aislar e identificar las cantidades diminutas de compuestos radiactivos. Esto le permitió identificar la mayoría de las reacciones químicas en los pasos intermedios de la fotosíntesis, el proceso en el que el dióxido de carbono se convierte en carbohidratos. Descubrió el "ciclo de Calvin", en el que las reacciones fotosintéticas "oscuras" son impulsadas por compuestos producidos en las reacciones "ligeras" que se producen al absorber la luz por la clorofila para producir oxígeno. También utilizando técnicas de trazadores isotópicos, siguió el camino del oxígeno en la fotosíntesis. Este fue el primer uso de un trazador de carbono 14 para explicar una vía química.

La investigación de Calvin también incluyó trabajos sobre el comportamiento electrónico, fotoelectrónico y fotoquímico de la evolución química de las porfirinas y la geoquímica orgánica, incluidos los componentes orgánicos de las rocas lunares para las reacciones de radicales libres de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) de los EE. UU., El efecto del deuterio ("hidrógeno pesado"). ) sobre reacciones bioquímicas carcinogénesis química y viral fotosíntesis artificial (“cloroplastos sintéticos”) radiación química la bioquímica del aprendizaje de la química cerebral filosofía de la ciencia y procesos que conducen al origen de la vida.

El grupo bioorgánico de Calvin eventualmente requirió más espacio, por lo que diseñó el nuevo Laboratorio de Biodinámica Química (el "Roundhouse" o "Calvin Carousel"). Este edificio circular contenía laboratorios abiertos y numerosas ventanas pero pocos muros para favorecer la interacción interdisciplinar que había realizado con su grupo de fotosíntesis en el antiguo Laboratorio de Radiaciones. Dirigió este laboratorio hasta su jubilación por edad obligatoria en 1980, cuando pasó a llamarse Laboratorio Melvin Calvin. Aunque oficialmente retirado, continuó viniendo a su oficina hasta 1996 para trabajar con un pequeño grupo de investigación.


¿Cómo funciona el ciclo de Calvin en la fotosíntesis?

Si recuerda la ecuación química básica para la fotosíntesis: CO2 + H2O - & gt O2 + Carbohidrato (con 6-Carbonos)
Esto es precisamente lo que ocurre durante el ciclo de Calvin. El dióxido de carbono se fija y, al final, todo el propósito del ciclo es producir un carbohidrato integral a la planta, como la sacarosa.

El proceso del ciclo de Calvin (etapa independiente de la luz) ocurre en el estroma del cloroplasto. Utiliza los productos de la etapa dependiente de la luz (ATP y NADPH) para realizar el ciclo.

En primer lugar, el CO2 es fijado por una enzima especial llamada RuBisCo. El átomo de carbono de la molécula de CO2 se agrega a la molécula de 5C (Ribulosa-1,5-bisfosfato) para formar una molécula de 6C inestable que luego se divide por la mitad para formar dos moléculas de 3C (esta molécula de 3C se llama 3-fosfoglicerato). Luego, se introduce ATP (recuerde: el ATP proviene de las reacciones dependientes de la luz anteriores). El ATP pierde un grupo fosfato en la molécula 3C; como resultado, se forma ADP y las moléculas 3C se convierten en 1,3-bisfosfoglicerato. El 1,3-bisfosfoglicerato luego es reducido por NADPH (el propio NADPH se oxida durante el proceso) para formar GALP, también conocido como gliceraldehído-3-fosfato. Se elimina un átomo de carbono de GALP en cada ciclo; este carbono contribuirá a la creación del carbohidrato 6C deseado (por lo tanto, se necesitan 6 ciclos del ciclo de Calvin para formar el carbohidrato). Nos quedan 5 carbonos; luego, la ribulosa-5-fosfato se regenera. Por último, el ATP donará un grupo fosfato a la ribulosa 5C que luego formará Ribulosa-1,5-bisfosfato, lo que nos lleva de vuelta al punto de partida. Luego, el ciclo se repite.


Esta investigación fue financiada por el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China (2018YFA0901300), el Programa de Investigación Clave de la Academia China de Ciencias (KFZD-SW-215) y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (31522002, 31770105).

Zhongkang Li y Xiuqing Xin contribuyeron igualmente a este trabajo.

Afiliaciones

Instituto de Biotecnología Industrial de Tianjin, Academia de Ciencias de China, Tianjin, China

Zhongkang Li, Xiuqing Xin, Bin Xiong, Dongdong Zhao, Xueli Zhang y amperio Changhao Bi

Laboratorio clave de biotecnología microbiana de sistemas, Academia de Ciencias de China, Tianjin, China

Zhongkang Li, Xiuqing Xin, Bin Xiong, Dongdong Zhao, Xueli Zhang y amperio Changhao Bi

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Contribuciones

LZ planificó y realizó los experimentos, escribió el manuscrito, analizó e interpretó los datos. BC y ZX supervisaron el estudio, redactaron el manuscrito, diseñaron los experimentos, analizaron e interpretaron los resultados. ZD, XX y XB redactaron el manuscrito, analizaron e interpretaron los datos. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Autores correspondientes


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