Metabolizm
Fotosynteza — cykl Calvina (faza ciemna)
Metabolizm, ATP i regulacja enzymów
Metabolizm obejmuje szlaki kataboliczne, które rozkładają związki i uwalniają energię, oraz anaboliczne, które zużywają energię do syntezy. ATP sprzęga procesy egzoergiczne z endoergicznymi przez przenoszenie grupy fosforanowej.
Enzym stabilizuje stan przejściowy i obniża energię aktywacji, nie zmieniając ΔG ani położenia równowagi. Swoistość wynika z przestrzennego i chemicznego dopasowania centrum aktywnego do substratu.
Aktywność enzymu zależy od temperatury, pH, stężenia substratu i inhibitorów. Inhibitor kompetycyjny konkuruje o centrum aktywne, a niekompetycyjny obniża aktywność przez związanie w innym miejscu.
- Fosforylacja może zmienić aktywność białka lub energię substratu.
- Przy wysokim stężeniu substratu enzym osiąga nasycenie.
- Sprzężenie zwrotne ujemne hamuje wcześniejszy etap szlaku przez produkt końcowy.
- Koenzymy i grupy prostetyczne są niebiałkowymi składnikami części enzymów.
Schemat: Metabolizm, ATP i regulacja enzymów
Zależność między zmiennymi i jej interpretacja.
Podstawa programowa: III.4.3
Fotosynteza: zamiana energii światła w energię chemiczną
W błonach tylakoidów chlorofil fotosystemu II pochłania światło, a elektrony są uzupełniane dzięki fotolizie wody. Przepływ elektronów przez łańcuch transportowy napędza pompowanie protonów do wnętrza tylakoidu.
Powrót H⁺ przez syntazę ATP umożliwia fotofosforylację. Fotosystem I ponownie wzbudza elektrony, które redukują NADP⁺ do NADPH. Tlen cząsteczkowy jest produktem fotolizy wody.
W stromie chloroplastu RuBisCO przyłącza CO₂ do RuBP. Cykl Calvina zużywa ATP i NADPH do syntezy trioz oraz regeneracji RuBP; nie jest bezpośrednio napędzany światłem, ale zależy od produktów fazy jasnej.
- Faza zależna od światła: tylakoidy; ATP, NADPH i O₂.
- Cykl Calvina: stroma; wiązanie CO₂ i synteza związków organicznych.
- Fotofosforylacja cykliczna wytwarza ATP bez NADPH i O₂.
- Intensywność fotosyntezy może ograniczać światło, CO₂, temperatura lub dostęp wody.
Schemat: Fotosynteza: zamiana energii światła w energię chemiczną
Kolejne etapy procesu wraz z kierunkiem zmian.
Podstawa programowa: III.4.3
Najczęstsze błędy
„Enzym zwiększa ilość produktu w stanie równowagi”
Poprawnie: Enzym przyspiesza reakcję w obu kierunkach i skraca czas osiągnięcia równowagi, ale nie przesuwa jej położenia.
„Wzrost temperatury zawsze zwiększa aktywność enzymu”
Poprawnie: Po przekroczeniu optimum denaturacja białka powoduje gwałtowny spadek aktywności.
„Tlen fotosyntetyczny pochodzi z CO₂”
Poprawnie: O₂ powstaje z wody podczas fotolizy zachodzącej przy fotosystemie II.
„Cykl Calvina zachodzi wyłącznie w ciemności”
Poprawnie: Może zachodzić przy świetle i zwykle wtedy zachodzi najintensywniej, bo wymaga ATP i NADPH z fazy jasnej.
Zadania z odpowiedziami
1. Doświadczenie z aktywnością enzymu
Zaplanuj badanie wpływu pH na aktywność amylazy.
- 1.Przygotuj identyczne mieszaniny skrobi i amylazy.
- 2.Zastosuj bufory o różnych pH, utrzymując stałą temperaturę i czas.
- 3.Oceń pozostałą skrobię płynem Lugola.
Odpowiedź
Zmienną niezależną jest pH, zależną — ilość rozłożonej skrobi. Najsłabsze zabarwienie po jodynie wskazuje najwyższą aktywność amylazy.
2. Czynnik ograniczający fotosyntezę
Roślina otrzymuje więcej światła, ale tempo fotosyntezy nie wzrasta. Podaj możliwe wyjaśnienie.
- 1.Zastosuj prawo minimum.
- 2.Wskaż inny potrzebny czynnik.
- 3.Wyjaśnij, dlaczego światło przestało ograniczać proces.
Odpowiedź
Po osiągnięciu nasycenia świetlnego tempo może być ograniczane np. stężeniem CO₂, temperaturą lub niedoborem wody wpływającym na zamykanie aparatów szparkowych.
Podsumowanie
- Fosforylacja może zmienić aktywność białka lub energię substratu.
- Przy wysokim stężeniu substratu enzym osiąga nasycenie.
- Metabolizm obejmuje szlaki kataboliczne, które rozkładają związki i uwalniają energię, oraz anaboliczne, które zużywają energię do syntezy. ATP sprzęga procesy egzoergiczne z endoergicznymi przez przenoszenie grupy fosforanowej.
- Faza zależna od światła: tylakoidy; ATP, NADPH i O₂.
- Cykl Calvina: stroma; wiązanie CO₂ i synteza związków organicznych.
- W błonach tylakoidów chlorofil fotosystemu II pochłania światło, a elektrony są uzupełniane dzięki fotolizie wody. Przepływ elektronów przez łańcuch transportowy napędza pompowanie protonów do wnętrza tylakoidu.
Słownik pojęć
- Energia aktywacji
- Minimalna energia potrzebna do osiągnięcia stanu przejściowego.
- Inhibicja kompetycyjna
- Hamowanie przez konkurencję inhibitora z substratem o centrum aktywne.
- Sprzężenie zwrotne
- Regulacja, w której produkt procesu wpływa na wcześniejsze etapy.
- Fotoliza wody
- Rozpad H₂O z uwolnieniem elektronów, protonów i tlenu.
- Fotofosforylacja
- Synteza ATP wykorzystująca gradient protonowy wytworzony dzięki energii światła.
- RuBisCO
- Enzym karboksylujący RuBP w cyklu Calvina.