Enzymaktivitet i fotosyntese

Fotosyntese kan forsvarligt betegnes som den vigtigste reaktion i hele biologien. Undersøg ethvert madvæv eller energistrømningssystem i verden, og du vil opdage, at det i sidste ende er afhængig af energi fra solen for de stoffer, der opretholder organismerne deri. Dyr er afhængige af både de kulstofbaserede næringsstoffer (kulhydrater) og det ilt, som fotosyntese genererer, fordi selv dyr der får al deres næring ved at bytte andre dyr op med at spise organismer, som de selv lever mest eller udelukkende på planter.

Fra fotosyntese strømmer således alle de andre processer med energiudveksling observeret i naturen. Ligesom glykolyse og reaktionerne ved cellulær respiration har fotosyntese et væld af trin, enzymer og unikke aspekter at overveje og forståelse af roller, som de specifikke katalysatorer af fotosyntese spiller i, hvad der svarer til omdannelse af lys og gas til mad, er afgørende for at mestre basale biokemi.

Fotosyntese havde noget at gøre med produktionen af ​​det sidste, du spiste, uanset hvad det var. Hvis det var plantebaseret, er kravet ligetil. Hvis det var en hamburger, kom kødet næsten helt sikkert fra et dyr, der selv levede næsten udelukkende på planter. Set lidt anderledes på, hvis solen lukkede sig af i dag uden at få verden til at køle af, hvilket ville føre til at planter blev knappe, ville verdens fødevareforsyning snart forsvinde; planter, som tydeligvis ikke er rovdyr, er i bunden af ​​enhver fødekæde.

Fotosyntese er traditionelt opdelt i lysreaktionerne og de mørke reaktioner. Begge reaktioner i fotosyntese spiller kritiske roller; førstnævnte stole på tilstedeværelsen af ​​sollys eller anden lysenergi, mens sidstnævnte ikke er afhængige af produkterne fra lysreaktionen for at have substrat at arbejde med. I lysreaktionerne fremstilles de energimolekyler, som planten har brug for til at samle kulhydrat, mens kulhydratsyntese i sig selv forekommer de mørke reaktioner. Dette ligner på nogle måder aerob respiration, hvor Krebs cykler, men ikke en væsentlig direkte kilde til ATP (adenosintrifosfat, "energivalutaen" af alle celler), genererer en hel del mellemliggende molekyler, der driver oprettelsen af ​​en hel del ATP i den efterfølgende elektrontransportkæde reaktioner.

Det kritiske element i planter, der giver dem mulighed for at udføre fotosyntese er klorofyl, et stof der findes i unikke strukturer kaldet kloroplaster.

Netreaktionen af ​​fotosyntese er faktisk meget enkel. Det hedder det kuldioxid og vand i nærvær af lysenergi omdannes til glukose og ilt under processen.

6 CO₂ + lys + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Den samlede reaktion er en sum af lysreaktioner og mørke reaktioner af fotosyntese:

Lysreaktioner:12 H₂O + lys → O₂ + 24 H⁺ + 24e⁻

Mørke reaktioner:6CO₂ + 24 H⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

Kort sagt bruger lysreaktionerne sollys til at skræmme elektroner op, som planten derefter kanaliserer til madlavning (glukose). Hvordan dette sker i praksis er blevet undersøgt godt og er et bevis på milliarder af år med biologisk udvikling.

En almindelig misforståelse blandt mennesker, der studerer biovidenskab, er, at fotosyntese simpelthen er cellulær respiration i omvendt retning. Dette er forståeligt, i betragtning af at netreaktionen af ​​fotosyntese ligner cellulær respiration - startende med glykolyse og slutter med de aerobe processer (Krebs-cyklus og elektrontransportkæde) i mitokondrier - kører præcist i baglæns.

Reaktionerne, der omdanner kuldioxid til glukose i fotosyntese, er dog meget forskellige end dem, der bruges til at reducere glukose ned til kuldioxid i cellulær åndedræt. Planter, husk på, gør også brug af cellulær respiration. Kloroplaster er ikke "mitokondrier af planter"; planter har også mitokondrier.

Tænk på fotosyntese som noget, der hovedsageligt sker, fordi planter ikke har mund, men alligevel stoler på at brænde glukose som et næringsstof for at lave deres eget brændstof. Hvis planter ikke kan indtage glukose, men alligevel stadig kræver en jævn forsyning af den, er de nødt til at gøre det tilsyneladende umulige og gøre det selv. Hvordan laver planter mad? De bruger eksternt lys til at drive små kraftværker inde i dem til at gøre det. At de kan gøre det afhænger i høj grad af, hvordan de faktisk er struktureret.

Strukturer, der har meget overfladeareal i forhold til deres masse, er godt positioneret til at fange en stor del af sollyset, der passerer deres vej. Dette er grunden til, at planter har blade. Det faktum, at blade har tendens til at være den grønneste del af planterne, er resultatet af tætheden af ​​klorofyl i blade, da det er her, arbejdet med fotosyntese udføres.

Blade har udviklet porer i deres overflader kaldet stomata (ental: stomi). Disse åbninger er det middel, hvormed bladet kan kontrollere ind- og udgang af CO₂, som er nødvendig til fotosyntese, og O₂, som er et affaldsprodukt fra processen. (Det er modstridende at tænke på ilt som affald, men i denne indstilling er det strengt taget det.)

Disse stomata hjælper også bladet med at regulere dets vandindhold. Når der er rigeligt med vand, er bladene mere stive og "oppustede", og stomataerne er tilbøjelige til at forblive lukkede. Omvendt, når vandet er knappe, åbnes stomataen i et forsøg på at hjælpe bladet med at fodre sig selv.

Planteceller er eukaryote celler, hvilket betyder, at de har både de fire strukturer, der er fælles for alle celler (DNA, en cellemembran, cytoplasma og ribosomer) og et antal specialiserede organeller. Planteceller har imidlertid, i modsætning til dyre- og andre eukaryote celler, cellevægge, som bakterier har, men konstrueret ved hjælp af forskellige kemikalier.

Planteceller har også kerner, og deres organeller inkluderer mitokondrier, det endoplasmatiske retikulum, Golgi-legemer, et cytoskelet og vakuoler. Men den kritiske forskel mellem planteceller og andre eukaryote celler er, at planteceller indeholder kloroplaster.

Inden for planteceller findes organeller kaldet kloroplaster. Ligesom mitokondrier antages disse at være blevet inkorporeret i eukaryote organismer relativt tidligt i udviklingen af eukaryoter, hvor den enhed, der er bestemt til at blive en kloroplast, derefter eksisterer som en fritstående fotosyntese, der udfører prokaryote.

Kloroplasten er som alle organeller omgivet af en dobbelt plasmamembran. Inden for denne membran er stromaen, som fungerer ligesom cytoplasmaet af kloroplaster. Også inden for kloroplasterne findes kroppe kaldet thylakoid, som er arrangeret som stakke med mønter og lukket af deres egen membran.

Klorofyl betragtes som "det" pigment af fotosyntese, men der er flere forskellige typer klorofyl, og andet pigment end klorofyl deltager også i fotosyntese. Det største pigment, der anvendes i fotosyntese, er klorofyl A. Nogle ikke-klorofylpigmenter, der deltager i fotosyntetiske processer, har rød, brun eller blå farve.

Lysreaktionerne ved fotosyntese bruger lysenergi til at fortrænge brintatomer fra vandmolekyler, med disse brintatomer, drevet af strøm af elektroner, der i sidste ende frigøres af indkommende lys, der bruges til at syntetisere NADPH og ATP, som er nødvendige for den efterfølgende mørke reaktioner.

Lysreaktionerne forekommer på thylakoidmembranen, inde i chloroplasten, inde i plantecellen. De kommer i gang, når lys rammer et protein-klorofyl-kompleks kaldet fotosystem II (PSII). Dette enzym er det, der frigør hydrogenatomer fra vandmolekyler. Oxygenet i vandet er derefter frit, og de elektroner, der frigøres i processen, er fastgjort til et molekyle kaldet plastoquinol, hvilket gør det til plastoquinon. Dette molekyle overfører igen elektronerne til et enzymkompleks kaldet cytochrom b6f. Denne ctyb6f tager elektronerne fra plastoquinon og flytter dem til plastocyanin.

På dette tidspunkt, fotosystem I (PSI) kommer på jobbet. Dette enzym tager elektronerne fra plastocyanin og binder dem til en jernholdig forbindelse kaldet ferredoxin. Endelig et enzym kaldet ferredoxin – NADP⁺reduktase (FNR) for at fremstille NADPH fra NADP⁺. Du behøver ikke at huske alle disse forbindelser, men det er vigtigt at have en fornemmelse af de involverede reaktioners kaskaderende "aflevering".

Også når PSII frigør brint fra vand til at drive ovennævnte reaktioner, har noget af det brændstof tendens til at ønske at forlade thylakoid for stroma, nedad i dets koncentrationsgradient. Thylakoidmembranen udnytter denne naturlige udstrømning ved at bruge den til at drive en ATP-syntasepumpe i membranen, som binder phosphatmolekyler til ADP (adenosindiphosphat) for at fremstille ATP.

De mørke reaktioner ved fotosyntese er så navngivet, fordi de ikke stoler på lys. De kan dog forekomme, når lys er til stede, så et mere præcist, hvis mere besværligt navn er "lysuafhængige reaktioner"For at rydde op yderligere er de mørke reaktioner sammen også kendt som Calvin cyklus.

Forestil dig, at når du indånder luft i lungerne, kan kuldioxid i luften komme ind i din celler, som derefter vil bruge det til at fremstille det samme stof, der skyldes, at din krop nedbryder den mad, du har spise. Faktisk behøver du aldrig at spise overhovedet. Dette er i det væsentlige livet for en plante, der bruger CO₂ det samles fra miljøet (som stort set er der som et resultat af andre eukaryoters metaboliske processer) for at fremstille glukose, som det derefter enten gemmer eller brænder til sine egne behov.

Du har allerede set, at fotosyntese starter ved at banke brintatomer fri for vand og bruge energien fra disse atomer til at fremstille noget NADPH og noget ATP. Men hidtil har der ikke været nogen omtale af det andet input til fotosyntese, CO2. Nu kan du se, hvorfor alt det NADPH og ATP blev høstet i første omgang.

I det første trin af de mørke reaktioner er CO2 bundet til et sukkerderivat med fem kulstof kaldet ribulose 1,5-bisphosphat. Denne reaktion katalyseres af enzymet ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase / oxygenase, meget mere mindeværdigt kendt som Rubisco. Dette enzym menes at være det mest rigelige protein i verden, da det findes i alle planter, der gennemgår fotosyntese.

Dette mellemprodukt med seks carbon er ustabilt og opdeles i et par tre-carbon-molekyler kaldet phosphoglycerat. Disse phosphoryleres derefter af et kinaseenzym til dannelse af 1,3-bisphosphoglycerat. Dette molekyle omdannes derefter til glyceraldehyd-3-phosphat (G3P), der frigør phosphatmolekyler og forbruger NAPDH afledt af lysreaktionerne.

G3P oprettet i disse reaktioner kan derefter placeres i en række forskellige veje, hvilket resulterer i dannelsen af ​​glucose, aminosyrer eller lipider, afhængigt af plantens specifikke behov celler. Planter syntetiserer også polymerer af glukose, der i den menneskelige diæt bidrager med stivelse og fiber.