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Cycle Calvin TED-ED - Biologie

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La plus petite usine de la nature

https://youtu.be/0UzMaoaXKaM

  1. L'énergie existe sous la forme de ____________________ produite par la plante.
  2. Les plantes tirent leur carbone du __________________.
  3. La photosynthèse se déroule en deux étapes, la seconde est la _____________________.
  4. RuBP contient __________ carbones.
  5. L'enzyme _________________________ construit une séquence initiale de 6 carbones.
  6. Cette séquence s'est divisée en deux courtes chaînes appelées _________.
  7. Le NADPH transfère un __________________ à ces molécules, elles deviennent G3P.
    Le glucose a besoin de 6 carbones pour se former, composé de deux molécules G3P. Le sucre a été fabriqué, mais pas tout à fait…..
  8. Le RuBP d'origine doit être _________________________.
  9. Combien de lignes de production fonctionnent en même temps ? _____
  10. Combien de carbones existe-t-il dans toutes ces lignes de production ? ______
  11. Combien d'entre eux sont utilisés pour fabriquer du glucose ? _____ Pour faire du RuBP ? ______
  12. Le mélange moléculaire et l'appariement garantissent la régénération de _______ RuBP.

Résumer la scène

Organiser

La description

Molécules impliquées

x3

x3

Glucose

x2

(Il faut 2 tours pour fixer 6 atomes de carbone à partir de CO2)

réduction
glucose

régénération de RUBP
fixation du carbone

3 molécules de CO2
RuBisCO

6 ATP → 6 ADP
3 ATP → 3 ADP


Cycle de Calvin : histoire et phases (avec diagramme)

Le cycle a été découvert par Calvin, Benson et leurs collègues en Californie, aux États-Unis. Ils ont nourri Chlorella et Scenedesmus avec du 14 C radioactif en dioxyde de carbone. Carbone radioactif, le 14 C a une demi-vie de 5568 ans.

Par conséquent, le chemin du CO2 la fixation peut être facilement tracée avec son aide. La suspension d'algues illuminée et réalisant la photosynthèse avec du dioxyde de carbone normal a été alimentée en 14 CO2. L'algue a été tuée à intervalles dans du méthanol presque bouillant.

Il a immédiatement arrêté l'activité photosynthétique en raison de la dénaturation des enzymes. L'alcool a été évaporé et après broyage de l'algue, le produit a été transformé en pâte. La pâte a été placée sur un chromatogramme papier et les différents composés ont été séparés par chromatographie bidimensionnelle d'abord développée par Martin et Synge (1941).

Un film radiographique a ensuite été pressé contre le chromatogramme papier. Le film a développé des taches où des composés radioactifs étaient présents. Le processus est appelé autoradiographie. Les composés radioactifs ont été identifiés en comparant leur position sur le chromatogramme avec des produits chimiques standards.

Calvin et ses collaborateurs ont découvert qu'après trois secondes, la radioactivité apparaissait dans l'acide phosphoglycérique ou PGA. L'acide phosphoglycérique est donc le premier produit stable de la photosynthèse. La radioactivité s'est également avérée être présente dans un seul carbone de ce composé qui s'est avéré être le premier.

Apparemment, seul le premier groupe carboné du produit chimique provenait du CO2 tandis que le reste a été apporté par une molécule acceptrice. Un certain nombre d'autres composés ayant une radioactivité ont été trouvés après des intervalles de 5, 10, 15 et 30 secondes.

Ils comprenaient les hexoses, les tétroses, les pentoses, les heptoses. Après 60 secondes, les trois atomes de carbone du PGA étaient radioactifs, indiquant le cycle des réactions. Après de nombreux calculs minutieux, Calvin a élaboré la voie du CO2 fixation. La principale molécule acceptrice a été découverte par Basham comme étant le ribulose-1, 5-bi-phosphate ou RuBP.

Phases du cycle de Calvin :

Le cycle de réduction du carbone photosynthétique (PCR) ou le cycle de Calvin se produit dans toutes les plantes photo-shysynthétiques, qu'elles aient C3 ou C4 voies. Il est divisé en trois phases : carboxylation, inversion glycolytique et régénération de RuBP (Fig. 13.21).

La carboxylation est l'ajout de dioxyde de carbone à une autre substance appelée accepteur. La carboxylation photosynthétique nécessite du ribulose-1, 5-bi-phosphate ou RuBP comme accepteur de dioxyde de carbone et RuBP carboxylase-oxygénase ou RuBisCo comme enzyme. L'enzyme était auparavant appelée carboxydismutase.

Le rubisco est la protéine la plus abondante du monde biologique. Il constitue 16 % des protéines chloropistes (40 % des protéines solubles des feuilles). Cependant, c'est une enzyme la plus lente avec un renouvellement de 3 molécules de dioxyde de carbone par seconde. Rubisco est situé dans le stroma sur la surface externe des membranes thylakoïdes.

Le dioxyde de carbone se combine avec le ribulose-1, 5-bio-phosphate pour produire un composé intermédiaire transitoire appelé 2-carboxy 3-céto 1, 5-bi-phosphoribotol. L'intermédiaire se sépare immédiatement en présence d'eau pour former les deux molécules d'acide 3-phosphoglycérique ou PGA. C'est le premier produit stable de la photosynthèse.

2. Inversion glycolytique :

Les processus impliqués dans cette étape ou phase sont l'inversion des processus trouvés pendant la glycolyse, partie de la respiration. L'acide phosphoglycérique ou PGA est en outre phosphorylé par l'ATP à l'aide de l'enzyme triose phosphate kinase (phosphoglycerate kinase). Il donne naissance à l'acide 1, 3-biphosphoglycérie.

L'acide biphosphoglycérique est réduit par le NADPH par l'intermédiaire de l'enzyme glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase (triose phosphate déshydrogénase). Il produit du glycéraldéhyde 3-phosphate ou 3-phosphoglycéraldéhyde.

Le glycéraldéhyde-3-phosphate est un produit clé utilisé dans la synthèse des glucides et des graisses. Pour former des glucides, disons du glucose, une partie de celui-ci est transformée en son isomère appelé dihydroxyacétone-3-phosphate. L'enzyme qui catalyse la réaction est la phosphotriose isomérase.

Les deux isomères se condensent en présence d'une enzyme aldolase formant le fructose 1,6-bi-phosphate.

Le fructose 1,6-bi-phosphate (FBP) perd un groupe phosphate, forme le fructose 6-phosphate (F 6-P) qui est ensuite transformé en glucose-6-phosphate (G 6-P). Ce dernier peut produire du glucose ou devenir une partie du saccharose et du polysaccharide.

Comme le glucose est un composé à six carbones, six tours du cycle de Calvin sont nécessaires pour synthétiser sa molécule.

3. Régénération de RuBP :

Le fructose 6-phosphate (F 6-P) et le glycéraldéhyde 3-phosphate (GAP) réagissent pour former l'érythrose 4-phosphate (E 4-P) et le xylulose 5-phosphate (X 5-P). L'érythrose 4-phosphate se combine avec le dihydroxy acétone 3-phosphate pour produire du sedoheptulose 1: 7 diphosphate (SDP) qui perd une molécule de phosphate et donne naissance au sedoheptulose 7-phosphate (S 7-P).

Le sédoheptulose 7-phosphate réagit avec le glycéraldéhyde 3-phosphate pour produire du xylulose 5-phosphate (X 5-P) et du ribose 5-phosphate. (R 5-P) Les deux sont remplacés par leur isomère ribulose 5-phosphate (Ru 5-P). Le ribulose 5-phosphate capte un deuxième phosphate de l'ATP pour se transformer en ribulose 1, 5 bi-phosphate (RuBP).


Étiqueter le cycle de Calvin

(Il faut 6 tours pour fixer 6 atomes de carbone du CO2)

réduction
glucose
régénération de RUBP
fixation du carbone
6 ATP → 6ADP
3 ATP → 3ADP
3 molécules de CO2
RuBisCO

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Les étapes du cycle de Calvin

Fixation du carbone

Le cycle de Calvin commence lorsqu'une molécule de CO2 est attachée à un sucre à cinq carbones appelé ribulose biphosphate (RuBP). L'enzyme qui catalyse ce processus est appelée ribulose biphosphate carboxylase (ou rubisque). Sans surprise, le rubisco est la protéine la plus abondante sur terre.

Le produit de cette réaction est très instable Intermédiaire à 6 carbones qui se divise immédiatement en deux sucres à 3 carbones (3-phosphoglycérate, également appelé 3-PGA). Pour chaque molécule de CO2, 2 molécules de 3-PGA sont produites. Le nombre d'atomes de carbone reste le même.

Réduction

Un groupe phosphate de ATP est incorporé dans chaque molécule de 3-PGA, devenant 1,3-biphosphoglycérate. Ensuite, le 1,3-biphosphoglycérate est réduit, et un phosphate est perdu, devenant du glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). La paire d'électrons nécessaire à cette réduction provient de NADPH. L'énergie est fournie pour ce processus lorsque ATP est converti en ADP, et quand NADPH est converti en NADP+. Ces deux molécules retournent ensuite à des réactions dépendantes de la lumière pour être réutilisées.

G3P a 3 atomes de carbone, il faut donc 3 cycles du cycle du carbone pour obtenir suffisamment de carbone pour exporter une molécule de G3P. Pour chaque molécule de CO2 qui entre dans le cycle, il y a 6 molécules de G3P produites. Cependant, ce n'est pas un production nette, comme il y a 3 molécules de 5 carbone RuBP requis pour chaque molécule de G3P formée. 1 seule molécule de G3P sorties le cycle à utiliser dans la cellule végétale c'est le matériau de départ pour les voies synthétisant des glucides plus complexes. L'autre 5 les molécules sont recyclé pour régénérer RuBP. Ces chiffres sont illustrés plus clairement ci-dessous
chiffre.

Régénération

A l'étape 3, RuBP est régénéré. Cela se produit à travers une séquence complexe de réactions qui réarrange 5 G3P (5x 3 carbones) molécules en 3 molécules de RuBP (3x 5 carbones). Ce processus prend au moins 3 molécules de ATP.

Encore une fois, chaque tour sur le cycle du carbone fait 2 G3P, donc 3 les molécules de dioxyde de carbone font 6 G3P. Alors que 1 est exporté vers le cytoplasme, les 5 restants sont utilisés pour régénérer RuBP, permettant au cycle de recommencer. Pour le synthèse de réseau de 1 molécule de G3P, le cycle de Calvin nécessite au total 9 molécules d'ATP et 6 molécules de NADPH.


Les rouages ​​du cycle de Calvin

Figure 1. Les réactions dépendantes de la lumière exploitent l'énergie du soleil pour produire de l'ATP et du NADPH. Ces molécules porteuses d'énergie voyagent dans le stroma où se déroulent les réactions du cycle de Calvin.

Dans les plantes, le dioxyde de carbone (CO2) pénètre dans le chloroplaste par les stomates et diffuse dans le stroma du chloroplaste, le site des réactions du cycle de Calvin où le sucre est synthétisé. Les réactions portent le nom du scientifique qui les a découvertes et font référence au fait que les réactions fonctionnent comme un cycle. D'autres l'appellent le cycle de Calvin-Benson pour inclure le nom d'un autre scientifique impliqué dans sa découverte (Figure 1).

Les réactions du cycle de Calvin (Figure 2) peuvent être organisées en trois étapes de base : fixation, réduction et régénération. Dans le stroma, en plus du CO2, deux autres produits chimiques sont présents pour initier le cycle de Calvin : une enzyme abrégée RuBisCO, et la molécule ribulose bisphosphate (RuBP). RuBP a cinq atomes de carbone et un groupe phosphate à chaque extrémité.

RuBisCO catalyse une réaction entre le CO2 et RuBP, qui forme un composé à six carbones qui est immédiatement converti en deux composés à trois carbones. Ce processus est appelé fixation du carbone, car le CO2 est «fixé» de sa forme inorganique en molécules organiques.

L'ATP et le NADPH utilisent leur énergie stockée pour convertir le composé à trois carbones, 3-PGA, en un autre composé à trois carbones appelé G3P. Ce type de réaction est appelé réaction de réduction, car il implique le gain d'électrons. Une réduction est le gain d'un électron par un atome ou une molécule. Les molécules d'ADP et de NAD + , issues de la réaction de réduction, retournent aux réactions photo-dépendantes pour être réénergisées.

L'une des molécules G3P quitte le cycle de Calvin pour contribuer à la formation de la molécule d'hydrate de carbone, qui est généralement le glucose (C6H12O6). Parce que la molécule d'hydrate de carbone a six atomes de carbone, il faut six tours du cycle de Calvin pour fabriquer une molécule d'hydrate de carbone (une pour chaque molécule de dioxyde de carbone fixée). Les molécules G3P restantes régénèrent RuBP, ce qui permet au système de se préparer à l'étape de fixation du carbone. L'ATP est également utilisé dans la régénération de RuBP.

Figure 2. Le cycle de Calvin comporte trois étapes. Au stade 1, l'enzyme RuBisCO incorpore du dioxyde de carbone dans une molécule organique. A l'étape 2, la molécule organique est réduite. Au stade 3, RuBP, la molécule qui démarre le cycle, est régénérée pour que le cycle puisse continuer.

En résumé, il faut six tours du cycle de Calvin pour fixer six atomes de carbone à partir de CO2. Ces six tours nécessitent un apport d'énergie de 12 molécules d'ATP et 12 molécules de NADPH dans l'étape de réduction et 6 molécules d'ATP dans l'étape de régénération.

Découvrez cette animation du cycle de Calvin. Cliquez sur Étape 1, Étape 2, puis Étape 3 pour voir G3P et ATP se régénérer pour former RuBP.

L'évolution en action : la photosynthèse

Figure 3. Vivre dans les conditions difficiles du désert a conduit des plantes comme ce cactus à développer des variations de réactions en dehors du cycle de Calvin. Ces variations augmentent l'efficacité et aident à conserver l'eau et l'énergie. (crédit : Piotr Wojtkowski)

L'histoire évolutive partagée de tous les organismes photosynthétiques est remarquable, car le processus de base a peu changé au fil du temps. Même entre les feuilles tropicales géantes de la forêt tropicale et les minuscules cyanobactéries, le processus et les composants de la photosynthèse qui utilisent l'eau comme donneur d'électrons restent en grande partie les mêmes. Les photosystèmes fonctionnent pour absorber la lumière et utilisent des chaînes de transport d'électrons pour convertir l'énergie. Les réactions du cycle de Calvin assemblent des molécules de glucides avec cette énergie.

Cependant, comme pour toutes les voies biochimiques, une variété de conditions conduit à des adaptations variées qui affectent le modèle de base. La photosynthèse chez les plantes de climat sec (figure 3) a évolué avec des adaptations qui conservent l'eau. Dans la chaleur sèche et dure, chaque goutte d'eau et d'énergie précieuse doit être utilisée pour survivre. Deux adaptations ont évolué dans de telles plantes. Sous une forme, une utilisation plus efficace du CO2 permet aux plantes de faire de la photosynthèse même lorsque le CO2 est rare, comme lorsque les stomates sont fermés par temps chaud. L'autre adaptation effectue des réactions préliminaires du cycle de Calvin la nuit, car l'ouverture des stomates à ce moment permet de conserver l'eau en raison des températures plus fraîches. De plus, cette adaptation a permis aux plantes d'effectuer de faibles niveaux de photosynthèse sans ouvrir les stomates du tout, un mécanisme extrême pour faire face à des périodes extrêmement sèches.


Top 3 des étapes du cycle de Calvin (avec diagramme)

(c) Formation de sucre hexose et régénération de RuBP qui consomme de l'ATP supplémentaire, de sorte que le cycle continue (Fig. 11.18).

Étapes détaillées du cycle de Calvin (C3-cycle) ou le cycle PCR qui ont également été montrés sur la figure 11.18A, sont les suivants :

(a) Carboxylation :

(i) Le CO2 est accepté par le ribulose 1, 5-bisphosphate (RuBP) déjà présent dans les cellules et il se forme un composé d'addition à 6 carbones qui est instable. Il s'hydrolyse rapidement en 2 molécules d'acide 3-phosphoglycérique (3PGA). Ces deux réactions ont lieu en présence de ribulose bisphosphate carboxylase (Rubisco). L'acide 3-phosphoglycérique est le premier produit stable de la réaction sombre de la photosynthèse.

(b) Réduction :

(ii) L'acide 3-phosphoglycérique est réduit en 3-phosphoglycéraldéhyde par le pouvoir assimilateur (généré en réaction légère) en présence de triose phosphate déshydrogénase.

Cette réaction se déroule en deux étapes :

(c) Formation de sucre hexose et régénération de RuBP :

(iii) Certaines des molécules de 3-phosphoglycéraldéhyde s'isomérisent en phosphate de dihydroxyaetone, qui s'unissent ensuite toutes les deux en présence de l'enzyme aldolase pour former le fructose 1, 6-bisphosphate.

(iv) Le fructose 1, 6-bisphosphate est converti en fructose 6-phosphate en présence de phosphatase.

(v) Une partie du fructose-6-phosphate (sucre hexose) est extraite du cycle de Calvin et est convertie en glucose, saccharose et amidon. Le saccharose est synthétisé dans le cytosol tandis que l'amidon est synthétisé dans le chloroplaste.

(vi) Certaines des molécules de 3-phosphoglycéraldéhyde produites à l'étape (ii) au lieu de former des sucres hexoses, sont détournées pour régénérer le ribulose 1, 5-bisphosphate dans le système comme suit :

(vii) Le 3-phosphoglycéraldéhyde réagit avec le fructose-6-phosphate en présence d'enzyme transcétolase pour former l'érythrose-4-phosphate (sucre à 4 atomes de carbone) et le xylulose 5-phosphate (sucre à 5 atomes de carbone).

(viii) L'érythrose-4-phosphate se combine avec le phosphate de dihydroxyacétone en présence de l'enzyme aldolase pour former du sedoheptulose 1, 7-bisphosphate (sucre à 7 atomes de carbone).

(ix) Le sédoheptulose 1, 7-bisphosphate perd un groupe phosphate en présence de phosphatase pour former le sédoheptulose-7-phosphate.

(x) Le phosphate de sédoheptulose-7 réagit avec le 3-phosphoglycéraldéhyde en présence de transcétolase pour former du xylulose-5-phosphate et du ribose-5-phosphate (tous deux des sucres à 5 atomes de carbone).

(xi) Le xylulose-5-phosphate est converti en un autre sucre à 5 atomes de carbone ribulose-5-phosphate en présence de l'enzyme phosphocétopentose épimérase.

(xii) Le ribose-5-phosphate est également converti en ribulose-5-phosphate. La réaction est catalysée par la phosphopentose isomérase.

(xiii) Le ribulose-5-phosphate est finalement converti en ribulose 1, 5-bisphosphate en présence de phosphopentose kinase et d'ATP, complétant ainsi le cycle de Calvin.

Les formules structurelles de divers sucres à 4, 5 et 7 atomes de carbone impliqués dans le cycle de Calvin sont présentées à la figure 11.19.

Parce que le premier produit visible de ce cycle est l'acide 3-phosphoglycérique qui est un composé 3-C, le cycle de Calvin est également connu sous le nom de C3-sentier. (Des études récentes avec des cellules d'algues, des feuilles et des chloroplastes isolés ont montré que les « réactions sombres » de la photosynthèse ne sont pas complètement indépendantes de la lumière.

Plusieurs enzymes critiques dans le cycle de réduction du carbone sont activées par la lumière dans l'obscurité, elles sont soit inactives, soit présentent une faible activité. L'activité de l'enzyme Rubisco décline rapidement lorsque la lumière est éteinte et se rétablit lentement lorsque la lumière est allumée. Au moins quatre autres enzymes du cycle PCR sont connues pour être stimulées par la lumière, à savoir la 3-PGAld déshydrogénase (réaction ii), le fructose 1, 6-bis phosphatase (réaction iv), la sédoheptulose 1, 7-bisphosphatase et le ribulose 5-phosphate kinase (réaction xiii). Par conséquent, la désignation « réaction sombre » aux réactions de réduction du carbone photosynthétique est désormais considérée comme inappropriée).


Produits du cycle de Calvin (CIE A-level Biologie)

Professeur de sciences de formation, je suis également connu pour enseigner les mathématiques et l'éducation physique ! Cependant, aussi étrange que cela puisse paraître, mon véritable amour est de concevoir des ressources qui peuvent être utilisées par d'autres enseignants pour maximiser l'expérience des élèves. Je réfléchis constamment à de nouvelles façons d'impliquer un élève dans un sujet et j'essaie de l'implémenter dans la conception des leçons.

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Cette leçon riche en ressources décrit la conversion des intermédiaires du cycle de Calvin en glucides, lipides et acides aminés. Le PowerPoint attrayant et détaillé et les ressources qui l'accompagnent ont été principalement conçus pour couvrir le point 13.1 (h) de la spécification de biologie de niveau A de la CIE concernant les utilisations de GP et TP, mais comme la leçon fait continuellement référence à des molécules biologiques, elle peut agir comme un outil de révision pour une grande partie du contenu du sujet 2.

La leçon précédente décrivait les trois étapes du cycle de Calvin et cette leçon s'appuie sur cette compréhension pour démontrer comment les intermédiaires du cycle, GP et TP, sont utilisés. Le début de la leçon met les élèves au défi d'identifier deux erreurs dans un schéma du cycle afin qu'ils puissent se rappeler que la plupart des molécules de TP sont utilisées dans la régénération du ribulose bisphosphate. Une version quiz de Pointless se déroule tout au long de la leçon et est utilisée pour inciter les étudiants à rappeler une molécule biologique à partir de sa description. Une fois chaque molécule révélée, il faut le temps de détailler la formation et la synthèse de cette molécule à partir de TP ou de GP dans le cas des acides gras et des acides aminés. Les molécules suivantes sont examinées en détail au cours de cette leçon :

  • glucose (et fructose et galactose)
  • saccharose
  • amidon et cellulose
  • glycérol et acides gras
  • acides aminés
  • acides nucléiques

Une gamme d'activités est utilisée pour remettre en question leurs connaissances antérieures de ces molécules et des schémas de notation sont toujours affichés pour les questions de style examen afin de permettre aux étudiants d'évaluer leur compréhension.

Comme détaillé ci-dessus, cette leçon a été spécifiquement écrite pour être liée aux leçons précédentes de ce sujet sur la structure du chloroplaste, le stade de la photosynthèse dépendant de la lumière et le cycle de Calvin.

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Thèmes 12 & 13 : Respiration et photosynthèse (CIE A-level Biologie)

La respiration et la photosynthèse sont deux des sujets les plus couramment évalués dans les examens du terminal A, mais sont souvent mal compris par les étudiants. Ces 14 leçons ont été minutieusement planifiées pour contenir un large éventail d'activités qui engageront et motiveront les étudiants tout en couvrant les détails clés pour essayer d'approfondir leur compréhension et comprennent des questions de style examen afin qu'ils soient pleinement préparés pour ces évaluations. Les points de spécification suivants dans les sujets 12 et 13 du cours de biologie de niveau A CIE sont couverts par ces leçons : * Le besoin d'énergie dans les organismes vivants * Les caractéristiques de l'ATP * La synthèse d'ATP par phosphorylation au niveau du substrat dans la glycolyse et la Cycle de Krebs * Les rôles des coenzymes dans la respiration * La synthèse d'ATP à travers la chaîne de transport d'électrons dans les mitochondries et les chloroplastes * Les valeurs énergétiques relatives des glucides, lipides et protéines comme substrats respiratoires * Détermination du quotient respiratoire à partir des équations de la respiration * Le quatre étapes de la respiration aérobie * Un aperçu de la glycolyse * Lorsque l'oxygène est disponible, le pyruvate est converti en acétyl CoA dans la réaction de liaison * Les étapes du cycle de Krebs * La phosphorylation oxydative * La relation entre la structure et la fonction de la mitochondrie * Distinguer entre respiration aérobie et anaérobie dans les tissus de mammifères et dans les cellules de levure * La respiration anaérobie génère rendement commercial d'ATP et accumule une dette d'oxygène * Les produits de l'étape dépendant de la lumière sont utilisés dans le cycle de Calvin * La structure d'un chloroplaste et les sites des étapes dépendant de la lumière et indépendante de la lumière de la photosynthèse * La lumière- étape dépendante de la photosynthèse * Les trois étapes du cycle de Calvin * La conversion des intermédiaires du cycle de Calvin en glucides, lipides et acides aminés * Expliquer le terme facteur limitant en relation avec la photosynthèse * Expliquer les effets des changements d'intensité lumineuse, de concentration en dioxyde de carbone et température sur le taux de photosynthèse * Expliquez comment la compréhension des facteurs limitants est utilisée pour augmenter les rendements des cultures dans les environnements protégés En raison du détail de ces leçons, on estime qu'il faudra jusqu'à 2 mois de temps d'enseignement couvrez les détails inclus dans les diapositives de ces leçons Si vous souhaitez goûter à la qualité des leçons, téléchargez les rôles des coenzymes, le cycle de Krebs et les produits des leçons du cycle Calvin car ils ont été partagés gratuitement

Thème 13 : Photosynthèse (CIE A-level Biologie)

Cet ensemble contient 5 leçons complètes qui sont très détaillées et engageront et motiveront les étudiants tandis que le contenu suivant qui est défini dans le sujet 13 de la spécification CIE A-level Biology est couvert : Sujet 13.1 * Énergie transférée sous forme d'ATP et réduite Le NADP du stade dépendant de la lumière est utilisé pendant le cycle de Calvin pour produire des molécules organiques complexes * Les sites des stades photo-dépendants et indépendants de la lumière de la photosynthèse transfert d'énergie à l'ATP et réduction du NADP * Photophosphorylation cyclique et non cyclique * Les trois étapes principales du cycle de Calvin * La conversion des intermédiaires du cycle de Calvin en glucides, lipides et acides aminés Thème 13.2 * Expliquer le terme facteur limitant en relation avec la photosynthèse * Expliquer les effets des changements d'intensité lumineuse, de concentration de dioxyde de carbone et de température sur le taux de photosynthèse * Expliquer comment une compréhension des facteurs limitatifs est utilisée pour augmenter les rendements des cultures dans les environnements protégés. une manière mémorable.


Les interfonctionnements du cycle de Calvin

Dans les plantes, le dioxyde de carbone (CO2) pénètre dans le chloroplaste par les stomates et diffuse dans le stroma du chloroplaste, le site des réactions du cycle de Calvin où le sucre est synthétisé. Les réactions portent le nom du scientifique qui les a découvertes et font référence au fait que les réactions fonctionnent comme un cycle (Figure 1).

Figure 1 Les réactions dépendantes de la lumière exploitent l'énergie du soleil pour produire de l'ATP et du NADPH. Ces molécules porteuses d'énergie voyagent dans le stroma où se déroulent les réactions du cycle de Calvin.

RuBisCO est une enzyme qui catalyse une réaction entre le CO2 et RuBP, qui forme un composé à six carbones qui est immédiatement converti en deux composés à trois carbones. Ce processus est appelé fixation du carbone, parce que le CO2 est «fixé» de sa forme inorganique en molécules organiques.

L'ATP et le NADPH, qui ont été fabriqués au cours des réactions dépendantes de la lumière, utilisent leur énergie stockée pour convertir le dioxyde de carbone en un composé à trois carbones appelé G3P. Les molécules d'ADP et de NAD + , qui sont des molécules de basse énergie, retournent aux réactions dépendantes de la lumière pour être réénergisées.

L'une des molécules G3P quitte le cycle de Calvin pour contribuer à la formation de la molécule d'hydrate de carbone, qui est généralement le glucose (C6H12O6). Parce que la molécule d'hydrate de carbone a six atomes de carbone, il faut six tours du cycle de Calvin pour fabriquer une molécule d'hydrate de carbone (une pour chaque molécule de dioxyde de carbone fixée). Les molécules G3P restantes régénèrent RuBP, ce qui permet au système de se préparer à l'étape de fixation du carbone. L'ATP est également utilisé dans la régénération de RuBP.

Figure 2 Le cycle de Calvin comporte trois étapes. Au stade 1, l'enzyme RuBisCO incorpore du dioxyde de carbone dans une molécule organique. A l'étape 2, la molécule organique est réduite. Au stade 3, RuBP, la molécule qui démarre le cycle, est régénérée pour que le cycle puisse continuer.

En résumé, il faut six tours du cycle de Calvin pour fixer six atomes de carbone à partir de CO2. Ces six tours nécessitent un apport d'énergie de 12 molécules d'ATP et 12 molécules de NADPH dans l'étape de réduction et 6 molécules d'ATP dans l'étape de régénération.


Cycle Calvin TED-ED - Biologie

Résumé de l'article:

Le cycle de Calvin est ce qu'on appelle les réactions sombres de la photosynthèse. Il est divisé en trois phases. La première phase est la carboxylation, où le CO2 réagit avec 3 molécules de rubisco pour carboxyler le ribulose-1,5-bisphosphate pour donner 6 molécules de 3-phosphoglycérate. La deuxième phase est la réduction du 3-phosphoglycéraldéhyde pour donner le glycéraldéhyde-3-phosphate. La phase de réduction est en fait divisée en deux étapes où tout d'abord, l'ATP phosphoryle le 3-phosphoglycérate pour donner le 1,3-bisphosphoglycérate qui est ensuite réduit en 6 molécules de glycéraldéhyde-3-phosphate en utilisant l'énergie du NADPH. Une molécule de glycéraldéhyde-3-phosphate est convertie en phosphates de triose qui sont à leur tour convertis en glucides, saccharose et amidon. La dernière phase est la phase de régénération, où l'accepteur de CO2 ribulose-1,5-bisphosphate est régénéré à partir des 5 autres molécules de glycéraldéhyde -3-phosphate. Ces réactions sont catalysées par des enzymes qui seront étudiées dans cet article et comment leur régulation du cycle de Calvin impacte la photosynthèse

Phase 1 : Carboxylation

Dans une réaction chimique catalysée par la ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase-oxygénase (rubisco), 3 molécules de CO2 se fixent sur 3 molécules de ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP) en présence de trois molécules d'eau pour donner 6 molécules de 3-phosphoglycéraldéhyde et 6H+.
Cette première étape est très importante car elle incorpore du CO2 et donc initialement de nombreuses études se sont concentrées sur cette réaction afin d'essayer d'améliorer la photosynthèse. Cela a été initialement fait en essayant de réduire ou de désactiver l'activité oxygénase du rubisco, car le CO2 et l'O2 sont en compétition pour le même site de liaison, et donc, si cela est manipulé de sorte que seul le CO2 puisse être lié, alors il y aura plus de CO2 à réduire en glucides. Mais ces manipulations n'ont pas encore abouti.

Plus d'études ont été menées maintenant sur la manipulation des niveaux de rubisco. Les études ont montré que le rubisco lui-même régule la photosynthèse en étant régulé par les niveaux de CO2, l'intensité lumineuse et également les niveaux d'azote. Dans une étude de Raines (2003) utilisant des plantes rubisco antisens avec rubisco réduit, il a été observé que la réduction des niveaux de rubisco dans les plantes dans les mêmes conditions que celles dans lesquelles la plante a été cultivée n'a pas d'effet significatif sur la photosynthèse. Cependant, lorsqu'un plant de tabac antisens cultivé sous CO2 ambiant et lumière modérée a été exposé à une lumière saturante et/ou au CO2 saturant, une augmentation du contrôle du rubisco sur la photosynthèse a été observée. Cela a conduit à la conclusion que le rubisco est régulé par la disponibilité du CO2 et par la lumière. l'intensité et donc à son tour la photosynthèse régulée.

a) 6 3-phosphoglycéraldéhyde + 6ATP résultant en 6 1,3-bisphosphoglycérate +6ADP
Catalysé par la 3-phosphoglycérate kinase

b) 6 1,3-bisphosphoglycérate +6NADPH +H+ produisant 6 glycéraldéhyde-3-phosphate + 6NADP+ + 6PiCatalysé par GAPDH.

Raines (2003) a signalé qu'aucun effet sur la photosynthèse n'a été observé lorsque des plants de tabac antisens avec une GAPDH réduite ont été cultivés dans des conditions de serre chaudes, mais un certain effet a été observé lorsque l'activité de GADPH a été réduite à 35% en dessous de la plante de type sauvage.

Sur les 6 molécules de glycéraldéhyde-3-phosphate produites en phase de réduction, 5 d'entre elles passent en phase de régénération pour régénérer les 3 molécules de la RuBP liant le CO2 et 1 molécule va vers la synthèse des glucides (sucres et autres composés)

Cela se produit dans de nombreuses étapes de réaction et chacune et l'enzyme qui la catalyse sont répertoriées ci-dessous et si des études ont été menées pour voir comment l'enzyme particulière régule la photosynthèse, alors ces études et leurs résultats sont discutés.

a) 2 glycéraldéhyde-3-phosphate produisant du 2 dihydroxyacétone-3-phosphate, catalysé par la triose phosphate isomérase

b) Glycéraldéhyde-3-phosphate+ dihydroxyacétone-3-phosphate produisant du Fructose-1,6-bisphosphate, catalysé par l'aldolase

Il a été observé que les niveaux d'aldolase dans les plantes exercent un contrôle significatif sur la photosynthèse, en examinant la répartition du carbone (Raines, 2003). Des études ont montré que des niveaux réduits d'aldolase (dans les plantes antisens d'aldolase) entraînent une réduction des niveaux d'accumulation de carbone en regardant les niveaux d'amidon, mais il n'a été démontré qu'il avait un effet sur les niveaux de saccharose que lorsque son activité était réduite à 30% du type sauvage. niveaux. Cette étude a montré pour la première fois qu'une enzyme non régulée qui catalyse une réaction librement réversible, peut avoir un effet ou un contrôle significatif sur le flux de carbone photosynthétique.

c) Fructose-1,6-bisphosphate + H2O produisant du fructose-6-phosphate +Pi, catalysé par la Fructose-1,6-bisphosphate phosphatase (FBPase)

La FBPase est une enzyme régulée clé et certaines études ont été menées pour voir si elle a un effet sur la photosynthèse (Raines, 2003). En ce qui concerne la GAPDH, il a été observé que la FBPase n'a pas d'effet significatif sur la photosynthèse chez les plants de pomme de terre antisens, mais un effet n'a été observé que lorsque l'activité de la FBPase a été réduite à moins de 34 % du type sauvage.

d) Fructose-6-phosphate + glycéraldéhyde-3-phosphate produisant de l'érythrose-4-phosphate + xylulose-5-phosphate, catalysé par la transcétolase

Le partage du carbone entre le saccharose et l'amidon est affecté par des réductions de transcétolase. Des études ont montré qu'à mesure que l'intensité lumineuse augmente, l'effet de la transcétolase sur la répartition du carbone dans les plants de tabac antisens augmente également. Les résultats réels observés étaient que les niveaux de saccharose diminuaient à mesure que l'activité de la transcétolase diminuait. En ce qui concerne l'accumulation d'amidon, les effets n'ont été observés que lorsque l'activité était réduite à moins de 60 % du type sauvage (Raines 2003). La plupart des études réalisées à l'aide de plantes antisens dans le cycle de Calvin ont montré une tendance à la partition du carbone vers la biosynthèse de l'amidon, mais ces résultats montrent plutôt une partition du carbone en faveur du saccharose.

e) Érythrose-4-phosphate + dihydroxyacétone-3-phosphate produisant du sédoheptulose-1,7-bisphosphate, catalysé par l'aldolase

f) Sédoheptulose-1,7-bisphosphate + H2O produisant du séduheptulose-7-phosphate + Pi, catalysé par la sédoheptulose-1,7-bisphosphate phosphatase (SBPase).

La SBPase est également une enzyme clé et régulée et son effet sur la photosynthèse a été étudié. Les études ont montré que de petites diminutions de l'activité SBPase entraînent une réduction de la fixation du carbone photosynthétique dans les plants de tabac antisens SBPase (Raines, 2003). plantes avec moins de 20 % d'activité SBPase de type sauvage.

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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