Aktivita enzymu ve fotosyntéze

Fotosyntézu lze obhájitelně označit za nejdůležitější reakci v celé biologii. Prozkoumejte jakýkoli potravinový web nebo systém toku energie na světě a zjistíte, že v konečném důsledku spoléhá na energii ze slunce pro látky, které v nich udržují organismy. Zvířata se spoléhají jak na uhlíkové živiny (uhlohydráty), tak na kyslík, který generuje fotosyntéza, protože dokonce i na zvířata které získávají veškerou svou výživu kořistí na jiných zvířatech a konzumují organismy, které samy žijí převážně nebo výlučně rostliny.

Z fotosyntézy tedy proudí všechny ostatní procesy výměny energie pozorované v přírodě. Stejně jako glykolýza a reakce buněčného dýchání má fotosyntéza spoustu kroků, enzymů a jedinečných aspektů, které je třeba zvážit, a porozumění role, které hrají specifické katalyzátory fotosyntézy v množství, které se rovná přeměně světla a plynu na jídlo, je zásadní pro zvládnutí základních biochemie.

Fotosyntéza měla něco společného s výrobou poslední věci, kterou jste jedli, ať už to bylo cokoli. Pokud se jednalo o rostlinný základ, je požadavek přímý. Pokud to byl hamburger, maso téměř jistě pocházelo ze zvířete, které se samo téměř úplně živilo rostlinami. Podíváme-li se na to poněkud jinak, pokud by se dnes mělo slunce zavřít, aniž by došlo k ochlazení světa, což by vedlo k nedostatku rostlin, světová zásoba potravin by brzy zmizela; rostliny, které zjevně nejsou predátory, jsou na samém dně jakéhokoli potravinového řetězce.

Fotosyntéza se tradičně dělí na světelné reakce a tmavé reakce. Obě reakce ve fotosyntéze hrají zásadní roli; první se spoléhají na přítomnost slunečního světla nebo jiné světelné energie, zatímco druhá nezávisí pouze na produktech světelné reakce, aby s nimi mohl pracovat substrát. Ve světelných reakcích se vytvářejí energetické molekuly, které rostlina potřebuje k sestavení sacharidů, zatímco k samotné syntéze sacharidů dochází v temných reakcích. To je v některých ohledech podobné aerobnímu dýchání, kde Krebsův cyklus, i když není hlavním přímým zdrojem ATP (adenosintrifosfát, „energetická měna“) všech buněk), generuje velké množství mezilehlých molekul, které řídí tvorbu velkého množství ATP v následném řetězci transportu elektronů reakce.

Kritickým prvkem v rostlinách, který jim umožňuje provádět fotosyntézu, je chlorofyl, látka, která se nachází v jedinečných strukturách zvaných chloroplasty.

Síťová reakce fotosyntézy je ve skutečnosti velmi jednoduchá. Uvádí to oxid uhličitý a voda se v přítomnosti světelné energie během procesu přeměňují na glukózu a kyslík.

6 CO₂ + světlo + 6 H₂O → C.₆H₁₂Ó₆ + 6 O.₂

Celková reakce je součtem světelné reakce a temné reakce fotosyntézy:

Světelné reakce:12 H₂O + světlo → O.₂ + 24 hodin⁺ + 24 e⁻

Temné reakce:6CO₂ + 24 hodin⁺ + 24 e⁻ → C.₆H₁₂Ó₆ + 6 hodin₂Ó

Stručně řečeno, světelné reakce využívají sluneční světlo k vyděšení elektronů, které pak rostlina přivádí k tvorbě potravy (glukózy). Jak k tomu dochází v praxi, bylo dobře prostudováno a je dokladem miliard let biologické evoluce.

Mezi lidmi, kteří studují vědy o živé přírodě, je běžná mylná představa, že fotosyntéza je jednoduše buněčné dýchání v opačném směru. To je pochopitelné, vzhledem k tomu, že čistá reakce fotosyntézy vypadá stejně jako buněčné dýchání - počínaje glykolýza a končí se aerobními procesy (Krebsův cyklus a elektronový transportní řetězec) v mitochondriích - běží přesně v zvrátit.

Reakce, které transformují oxid uhličitý na glukózu ve fotosyntéze, jsou však daleko odlišné od reakcí, které se používají k redukci glukózy zpět na oxid uhličitý v buněčném dýchání. Rostliny, mějte na paměti, také využívají buněčné dýchání. Chloroplasty nejsou „mitochondrie rostlin“; rostliny mají také mitochondrie.

Představte si fotosyntézu jako něco, co se děje hlavně proto, že rostliny nemají ústa, přesto se spoléhají na spalování glukózy jako živiny pro výrobu vlastního paliva. Pokud rostliny nemohou přijímat glukózu, přesto stále vyžadují její stálý přísun, musí udělat zdánlivě nemožné a vyrobit si ji sami. Jak si rostliny připravují jídlo? K řízení malých elektráren v nich používají vnější světlo. To, že tak mohou učinit, závisí do značné míry na tom, jak jsou ve skutečnosti strukturovány.

Struktury, které mají velkou plochu v poměru k jejich hmotnosti, jsou dobře umístěny tak, aby zachytily velké množství slunečního světla procházejícího jejich cestou. Proto mají rostliny listy. Skutečnost, že listy bývají nejzelenější částí rostlin, je výsledkem hustoty chlorofylu v listech, protože právě zde se provádí fotosyntéza.

U listů se na jejich površích vyvinuly póry zvané stomata (singular: stoma). Tyto otvory jsou prostředky, kterými může křídlo ovládat vstup a výstup CO₂, který je nutný pro fotosyntézu, a O.₂, což je odpadní produkt procesu. (Je neintuitivní myslet na kyslík jako na odpad, ale v tomto prostředí, přesně řečeno, to tak je.)

Tyto průduchy také pomáhají listu regulovat jeho obsah vody. Když je vody dostatek, listy jsou pevnější a „nafouknuté“ a průduchy mají sklon zůstat zavřené. Naopak, když je vody málo, průduchy se otevírají ve snaze pomoci listu vyživovat se.

Rostlinné buňky jsou eukaryotické buňky, což znamená, že mají obě čtyři struktury společné pro všechny buňky (DNA, buněčnou membránu, cytoplazmu a ribozomy) a řadu specializovaných organel. Rostlinné buňky však mají na rozdíl od živočišných a jiných eukaryotických buněk buněčné stěny, stejně jako bakterie, ale konstruovány za použití různých chemikálií.

Rostlinné buňky mají také jádra a jejich organely zahrnují mitochondrie, endoplazmatické retikulum, Golgiho těla, cytoskelet a vakuoly. Kritický rozdíl mezi rostlinnými buňkami a jinými eukaryotickými buňkami však spočívá v tom, že rostlinné buňky obsahují chloroplasty.

V rostlinných buňkách jsou organely zvané chloroplasty. Podobně jako mitochondrie se předpokládá, že byly začleněny do eukaryotických organismů relativně brzy ve vývoji eukaryoty, s entitou určenou k tomu, aby se stala chloroplastem, který pak existuje jako volně stojící fotosyntéza prokaryot.

Chloroplast, stejně jako všechny organely, je obklopen dvojitou plazmatickou membránou. V této membráně je stroma, které funguje jako cytoplazma chloroplastů. V chloroplastech jsou také těla zvaná thylakoid, která jsou uspořádána jako hromádky mincí a uzavřena vlastní membránou.

Chlorofyl je považován za „pigment fotosyntézy, ale existuje několik různých typů chlorofylu a na fotosyntéze se podílí i jiný pigment než chlorofyl. Hlavním pigmentem používaným při fotosyntéze je chlorofyl A. Některé nechlorofylové pigmenty, které se účastní fotosyntetických procesů, jsou červené, hnědé nebo modré barvy.

Světelné reakce fotosyntézy využívají světelnou energii k přemístění atomů vodíku z molekul vody, přičemž tyto atomy vodíku jsou poháněny tok elektronů nakonec osvobozených příchozím světlem, který se používá k syntéze NADPH a ATP, které jsou potřebné pro následující tmu reakce.

Světelné reakce probíhají na tylakoidní membráně, uvnitř chloroplastu, uvnitř rostlinné buňky. Rozběhnou se, když světlo zasáhne komplex protein-chlorofyl nazvaný photosystem II (PSII). Tento enzym uvolňuje atomy vodíku z molekul vody. Kyslík ve vodě je poté volný a elektrony uvolněné v tomto procesu jsou připojeny k molekule zvané plastochinol a přeměňují ji na plastochinon. Tato molekula zase přenáší elektrony do komplexu enzymů zvaného cytochrom b6f. Tento ctyb6f bere elektrony z plastochinonu a přesouvá je na plastocyanin.

V tomto bodě, fotosystém I (PSI) dostane se do práce. Tento enzym bere elektrony z plastocyaninu a váže je na sloučeninu obsahující železo zvanou ferredoxin. Nakonec enzym zvaný ferredoxin – NADP⁺reduktáza (FNR) k výrobě NADPH z NADP⁺. Nemusíte si pamatovat všechny tyto sloučeniny, ale je důležité mít pocit kaskádové „předávací“ povahy příslušných reakcí.

Také, když PSII uvolňuje vodík z vody k napájení výše uvedených reakcí, část tohoto vodíku má tendenci chtít opustit thylakoid pro stroma, dolů po jeho koncentračním gradientu. Tylakoidní membrána využívá tohoto přirozeného odtoku tím, že ji využívá k pohonu čerpadla ATP syntázy v membráně, které k tvorbě ATP připojuje molekuly fosfátu k ADP (adenosindifosfát).

Temné reakce fotosyntézy jsou pojmenovány tak, že se nespoléhají na světlo. Mohou se však vyskytnout, když je přítomno světlo, takže přesnější a těžkopádnější název je „reakce nezávislé na světle. "Aby se věci dále vyjasnily, temné reakce se společně nazývají také Calvinův cyklus.

Představte si, že při vdechování vzduchu do plic by se oxid uhličitý ve vzduchu mohl dostat do vašich buňky, které by ji pak použily k výrobě stejné látky, která je výsledkem toho, že vaše tělo rozloží vaši potravu jíst. Ve skutečnosti byste kvůli tomu nikdy nemuseli vůbec jíst. Jedná se v zásadě o život rostliny, která využívá CO₂ shromažďuje se z prostředí (které je zde převážně v důsledku metabolických procesů jiných eukaryot), aby vytvořilo glukózu, kterou pak buď ukládá, nebo spaluje pro vlastní potřebu.

Už jste viděli, že fotosyntéza začíná klepáním atomů vodíku bez vody a pomocí energie z těchto atomů k výrobě NADPH a ATP. Ale doposud nebyla zmínka o dalších vstupech do fotosyntézy, CO2. Nyní uvidíte, proč byly všechny tyto NADPH a ATP sklizeny.

V prvním kroku temných reakcí se CO2 váže na derivát cukru s pěti uhlíky, který se nazývá 1,5-bisfosfát ribulózy. Tato reakce je katalyzována enzymem ribulóza-1,5-bisfosfátkarboxyláza / oxygenáza, mnohem lépe známý jako Rubisco. Tento enzym je považován za nejhojnější protein na světě, protože je přítomen ve všech rostlinách, které procházejí fotosyntézou.

Tento šestikarbonový meziprodukt je nestabilní a rozděluje se na dvojici tří uhlíkových molekul nazývaných fosfoglycerát. Ty jsou poté fosforylovány kinázovým enzymem za vzniku 1,3-bisfosfoglycerátu. Tato molekula se poté převede na glyceraldehyd-3-fosfát (G3P), uvolní molekuly fosfátu a spotřebuje NAPDH odvozený ze světelných reakcí.

G3P vytvořený v těchto reakcích pak může být uveden do řady různých cest, což má za následek při tvorbě glukózy, aminokyselin nebo lipidů v závislosti na konkrétních potřebách rostliny buňky. Rostliny také syntetizují polymery glukózy, které v lidské stravě přispívají škrobem a vlákninou.