Ензимна активност при фотосинтеза

Фотосинтезата може да бъде обозначена като най-важната реакция в цялата биология. Разгледайте всяка хранителна мрежа или система за енергиен поток в света и ще откриете, че в крайна сметка тя разчита на слънчевата енергия за веществата, които поддържат организмите в тях. Животните разчитат както на въглеродните хранителни вещества (въглехидрати), така и на кислорода, който фотосинтезата генерира, тъй като дори животните които се хранят изцяло, като преследват други животни, навиват ядещи организми, които сами живеят предимно или изключително растения.

По този начин от фотосинтезата произтичат всички други процеси на енергиен обмен, наблюдавани в природата. Подобно на гликолизата и реакциите на клетъчното дишане, фотосинтезата има множество стъпки, ензими и уникални аспекти, които трябва да се разгледат, и разбиране на ролята, която специфичните катализатори на фотосинтезата играят в това, което се превръща в превръщането на светлината и газа в храна, е от решаващо значение за овладяването на основните биохимия.

Фотосинтезата имаше нещо общо с производството на последното нещо, което изядохте, каквото и да беше това. Ако беше на растителна основа, твърдението е ясно. Ако беше хамбургер, месото почти сигурно идваше от животно, което само се изхранваше почти изцяло с растения. Погледнато по малко по-различен начин, ако днес слънцето се изключи, без да накара света да се охлади, което ще доведе до оскъдни растения, световните запаси от храна скоро ще изчезнат; растенията, които очевидно не са хищници, са в дъното на всяка хранителна верига.

Фотосинтезата традиционно се разделя на светлинни реакции и тъмни реакции. И двете реакции при фотосинтезата играят критични роли; първите разчитат на присъствието на слънчева светлина или друга светлинна енергия, докато вторите не зависят, но зависят от продуктите на светлинната реакция, за да имат субстрат, с който да работят. При светлинните реакции се получават енергийните молекули, необходими на растението за събиране на въглехидрати, докато самият синтез на въглехидрати протича в тъмните реакции. Това е подобно в някои отношения на аеробното дишане, където цикълът на Кребс, макар и да не е основен пряк източник на АТФ (аденозин трифосфат, "енергийната валута" от всички клетки), генерира много междинни молекули, които задвижват създаването на голямо количество АТФ в следващата верига за електронен транспорт реакции.

Критичният елемент в растенията, който им позволява да провеждат фотосинтеза, е хлорофил, вещество, което се намира в уникални структури, наречени хлоропласти.

Реалната реакция на фотосинтезата всъщност е много проста. В него се посочва, че въглеродният диоксид и водата, в присъствието на светлинна енергия, се превръщат в глюкоза и кислород по време на процеса.

6 CO₂ + светлина + 6 H₂O → C₆Н₁₂О₆ + 6 O.₂

Цялостната реакция е сбор от светлинни реакции и тъмни реакции на фотосинтезата:

Светлинни реакции:12 Н₂O + светлина → O₂ + 24 ч⁺ + 24e⁻

Тъмни реакции:6CO₂ + 24 ч⁺ + 24 д⁻ → C₆Н₁₂О₆ + 6 Н₂О

Накратко, светлинните реакции използват слънчева светлина, за да изплашат електроните, които растението след това насочва в производството на храна (глюкоза). Как това се случва на практика е добре проучено и е свидетелство за милиарди години биологична еволюция.

Често срещано заблуждение сред хората, изучаващи науките за живота, е, че фотосинтезата е просто клетъчно дишане в обратна посока. Това е разбираемо, като се има предвид, че нетната реакция на фотосинтезата изглежда точно като клетъчното дишане - започвайки от гликолиза и завършва с аеробни процеси (цикъл на Кребс и електронна транспортна верига) в митохондриите - протичат точно в обратен.

Реакциите, които превръщат въглеродния диоксид в глюкоза при фотосинтеза, са далеч по-различни от тези, които се използват за намаляване на глюкозата обратно до въглероден диоксид при клетъчно дишане. Имайте предвид, че растенията също използват клетъчното дишане. Хлоропластите не са „митохондриите на растенията“; растенията също имат митохондрии.

Мислете за фотосинтезата като за нещо, което се случва главно защото растенията нямат уста, но въпреки това разчитат на изгарянето на глюкоза като хранително вещество, за да произвеждат собствено гориво. Ако растенията все още не могат да приемат глюкоза, но все още се нуждаят от постоянен запас от нея, тогава те трябва да направят привидно невъзможното и да го направят сами. Как растенията правят храна? Те използват външна светлина, за да задвижат малки електроцентрали вътре в тях, за да го направят. Това, че те могат да го направят, зависи до голяма степен от това как всъщност са структурирани.

Структурите, които имат голяма повърхност спрямо масата си, са добре позиционирани да улавят голяма част от слънчевата светлина, преминаваща по тях. Ето защо растенията имат листа. Фактът, че листата са най-зелената част на растенията, е резултат от плътността на хлорофила в листата, тъй като тук се извършва работата по фотосинтезата.

Листата имат еволюирали пори по повърхностите си, наречени устици (единствено число: стома). Тези отвори са средството, чрез което листото може да контролира влизането и излизането на CO₂, който е необходим за фотосинтеза, и O₂, което е отпадъчен продукт от процеса. (Противоположно е да смятаме кислорода за отпадък, но в тази обстановка, строго погледнато, това е.)

Тези устици също помагат на листата да регулира съдържанието на вода. Когато водата е в изобилие, листата са по-твърди и "надути" и устицата е склонна да остане затворена. И обратно, когато водата е оскъдна, устицата се отваря, за да помогне на листата да се подхранват.

Растителните клетки са еукариотни клетки, което означава, че те имат както четирите структури, общи за всички клетки (ДНК, клетъчна мембрана, цитоплазма и рибозоми), така и редица специализирани органели. Растителните клетки обаче, за разлика от животинските и други еукариотни клетки, имат клетъчни стени, подобно на бактериите, но изградени с помощта на различни химикали.

Растителните клетки също имат ядра и техните органели включват митохондриите, ендоплазмения ретикулум, телата на Голджи, цитоскелета и вакуолите. Но критичната разлика между растителните клетки и другите еукариотни клетки е, че растителните клетки съдържат хлоропласти.

В растителните клетки има органели, наречени хлоропласти. Подобно на митохондриите, се смята, че те са били включени в еукариотните организми относително рано в еволюцията на еукариоти, като субектът е предопределен да стане хлоропласт, който съществува като самостоятелна фотосинтеза прокариот.

Хлоропластът, както всички органели, е заобиколен от двойна плазмена мембрана. В тази мембрана се намира стромата, която функционира подобно на цитоплазмата на хлоропластите. Също така в рамките на хлоропластите има тела, наречени тилакоиди, които са подредени като купчини монети и са затворени от собствена мембрана.

Хлорофилът се счита за „пигментът на фотосинтезата, но има няколко различни вида хлорофил и пигмент, различен от хлорофил, също участва в фотосинтезата. Основният пигмент, използван при фотосинтезата, е хлорофил А. Някои нехлорофилни пигменти, които участват във фотосинтетични процеси, са с червен, кафяв или син цвят.

Светлинните реакции на фотосинтезата използват светлинна енергия за изместване на водородните атоми от водните молекули, като тези водородни атоми се захранват от поток от електрони, освободени в крайна сметка от входящата светлина, използвани за синтезиране на НАДФН и АТФ, които са необходими за последващото тъмно реакции.

Светлинните реакции възникват върху тилакоидната мембрана, вътре в хлоропласта, вътре в растителната клетка. Те започват, когато светлината удря протеиново-хлорофилен комплекс, наречен фотосистема II (PSII). Този ензим освобождава водородните атоми от водните молекули. Тогава кислородът във водата е свободен и освободените в процеса електрони са прикрепени към молекула, наречена пластохинол, превръщайки го в пластохинон. Тази молекула от своя страна прехвърля електроните в ензимен комплекс, наречен цитохром b6f. Този ctyb6f взима електроните от пластохинон и ги премества в пластоцианин.

В този момент, фотосистема I (PSI) влиза в работата. Този ензим отнема електроните от пластоцианина и ги прикрепя към съдържащо желязо съединение, наречено фередоксин. И накрая, ензим, наречен фередоксин – НАДФ⁺редуктаза (FNR), за да се получи NADPH от NADP⁺. Не е нужно да запомняте всички тези съединения, но е важно да имате усещане за каскадния, "предаващ" характер на участващите реакции.

Също така, когато PSII освобождава водород от водата, за да захранва горните реакции, част от този водород има тенденция да иска да напусне тилакоида за стромата, по неговия градиент на концентрация. Тилакоидната мембрана се възползва от този естествен отток, като я използва за захранване на АТР синтазна помпа в мембраната, която прикрепя фосфатни молекули към ADP (аденозин дифосфат), за да образува АТФ.

Тъмните реакции на фотосинтезата са наречени така, защото не разчитат на светлината. Те обаче могат да се появят, когато има светлина, така че по-точно, ако и по-тромаво, името е "независими от светлината реакции"За да се изяснят нещата допълнително, тъмните реакции са известни също като Цикъл на Калвин.

Представете си, че когато вдишвате въздух в белите дробове, въглеродният диоксид в този въздух може да проникне във вашия клетки, които след това биха го използвали, за да направят същото вещество, което е резултат от това, че тялото ви разгражда храната, която вие Яжте. Всъщност поради това изобщо никога не би трябвало да ядете. Това е по същество животът на растението, което използва CO₂ той се събира от околната среда (която е до голяма степен в резултат на метаболитните процеси на други еукариоти), за да произведе глюкоза, която след това или съхранява, или изгаря за собствени нужди.

Вече видяхте, че фотосинтезата започва чрез избиване на водородните атоми, освободени от водата, и използването на енергията от тези атоми, за да се получат някои NADPH и някои ATP. Но досега не е споменато другото влагане във фотосинтезата - CO2. Сега ще видите защо изобщо са събрани всички тези NADPH и ATP.

В първата стъпка от тъмните реакции CO2 се свързва с производно на захар с пет въглерода, наречено рибулоза 1,5-бисфосфат. Тази реакция се катализира от ензима рибулоза-1,5-бисфосфат карбоксилаза / оксигеназа, много по-запомнящо се известен като Рубиско. Счита се, че този ензим е най-разпространеният протеин в света, като се има предвид, че той присъства във всички растения, подложени на фотосинтеза.

Това междинно съединение с шест въглерода е нестабилно и се разделя на двойка тривъглеродни молекули, наречени фосфоглицерат. След това те се фосфорилират от киназен ензим, за да образуват 1,3-бисфосфоглицерат. След това тази молекула се превръща в глицералдехид-3-фосфат (G3P), освобождавайки фосфатни молекули и консумирайки NAPDH, получен от светлинните реакции.

След това G3P, създаден в тези реакции, може да бъде поставен в редица различни пътища, в резултат на което при образуването на глюкоза, аминокиселини или липиди, в зависимост от специфичните нужди на растението клетки. Растенията също синтезират полимери на глюкоза, които в човешката диета допринасят нишесте и фибри.