Enzymaktivität in der Photosynthese

Die Photosynthese kann mit Recht als die wichtigste Reaktion in der gesamten Biologie bezeichnet werden. Untersuchen Sie jedes Nahrungsnetz oder Energieflusssystem der Welt, und Sie werden feststellen, dass es letztendlich auf Sonnenenergie angewiesen ist, um die Substanzen zu erhalten, die die Organismen darin erhalten. Tiere sind sowohl auf die kohlenstoffbasierten Nährstoffe (Kohlenhydrate) als auch auf den Sauerstoff angewiesen, den die Photosynthese erzeugt, denn selbst Tiere die ihre gesamte Nahrung durch die Beute anderer Tiere erhalten, essen am Ende Organismen, von denen sie selbst hauptsächlich oder ausschließlich leben Pflanzen.

Aus der Photosynthese fließen somit alle anderen in der Natur beobachteten Prozesse des Energieaustausches. Wie die Glykolyse und die Reaktionen der Zellatmung hat die Photosynthese eine Vielzahl von Schritten, Enzymen und einzigartigen Aspekten zu berücksichtigen und zu verstehen Rolle, die die spezifischen Katalysatoren der Photosynthese bei der Umwandlung von Licht und Gas in Nahrung spielen, ist entscheidend für die Beherrschung grundlegender Biochemie.

Photosynthese hatte etwas mit der Produktion des letzten Essens zu tun, was auch immer das war. Wenn es pflanzlich war, ist die Behauptung einfach. Wenn es ein Hamburger war, stammte das Fleisch mit ziemlicher Sicherheit von einem Tier, das sich fast ausschließlich von Pflanzen ernährte. Etwas anders betrachtet: Würde sich heute die Sonne abschalten, ohne die Welt abzukühlen, was zu einer Verknappung der Pflanzen führen würde, würde die Nahrungsversorgung der Welt bald verschwinden; Pflanzen, die eindeutig keine Raubtiere sind, stehen in jeder Nahrungskette ganz unten.

Die Photosynthese wird traditionell in die Lichtreaktionen und die Dunkelreaktionen unterteilt. Beide Reaktionen in der Photosynthese spielen eine entscheidende Rolle; erstere beruhen auf der Anwesenheit von Sonnenlicht oder anderer Lichtenergie, während letztere nicht, sondern nur von den Produkten der Lichtreaktion abhängig sind, um ein Substrat zu haben, mit dem sie arbeiten können. Bei den Lichtreaktionen werden die Energiemoleküle hergestellt, die die Pflanze zum Aufbau von Kohlenhydraten benötigt, während die Kohlenhydratsynthese selbst bei den Dunkelreaktionen stattfindet. Dies ähnelt in gewisser Weise der aeroben Atmung, bei der der Krebs-Zyklus zwar keine direkte Hauptquelle für ATP ist (Adenosintriphosphat, die "Energiewährung" aller Zellen), erzeugt viele Zwischenmoleküle, die die Bildung von viel ATP in der nachfolgenden Elektronentransportkette antreiben Reaktionen.

Das kritische Element in Pflanzen, das es ihnen ermöglicht, Photosynthese durchzuführen, ist Chlorophyll, eine Substanz, die in einzigartigen Strukturen namens. vorkommt Chloroplasten.

Die Nettoreaktion der Photosynthese ist eigentlich sehr einfach. Es sagt, dass Kohlendioxid und Wasser werden in Gegenwart von Lichtenergie während des Prozesses in Glukose und Sauerstoff umgewandelt.

6 CO₂ + Licht + 6 H₂O → C₆H₁₂Ö₆ + 6 O₂

Die Gesamtreaktion ist eine Summe der Lichtreaktionen und der dunkle Reaktionen der Photosynthese:

Lichtreaktionen:12 Stunden₂O + Licht → O₂ + 24 Stunden⁺ + 24e⁻

Dunkle Reaktionen:6CO₂ + 24 Stunden⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂Ö₆ + 6 H₂Ö

Kurz gesagt, die Lichtreaktionen nutzen Sonnenlicht, um Elektronen aufzuscheuchen, die die Pflanze dann zur Herstellung von Nahrung (Glukose) kanalisiert. Wie dies in der Praxis geschieht, ist gut untersucht und zeugt von Milliarden Jahren biologischer Evolution.

Ein weit verbreitetes Missverständnis unter denjenigen, die die Lebenswissenschaften studieren, ist, dass die Photosynthese einfach umgekehrte Zellatmung ist. Dies ist verständlich, da die Nettoreaktion der Photosynthese genauso aussieht wie die Zellatmung – beginnend mit Glykolyse und enden mit den aeroben Prozessen (Krebs-Zyklus und Elektronentransportkette) in den Mitochondrien – laufen genau in umkehren.

Die Reaktionen, die Kohlendioxid bei der Photosynthese in Glukose umwandeln, unterscheiden sich jedoch deutlich von denen, die bei der Zellatmung verwendet werden, um Glukose wieder zu Kohlendioxid zu reduzieren. Denken Sie daran, dass Pflanzen auch die Zellatmung nutzen. Chloroplasten sind nicht „die Mitochondrien der Pflanzen“; Auch Pflanzen haben Mitochondrien.

Stellen Sie sich die Photosynthese als etwas vor, das hauptsächlich passiert, weil Pflanzen keinen Mund haben, aber dennoch auf die Verbrennung von Glukose als Nährstoff angewiesen sind, um ihren eigenen Brennstoff herzustellen. Wenn Pflanzen keine Glukose aufnehmen können, aber dennoch eine stetige Zufuhr benötigen, müssen sie das scheinbar Unmögliche selbst machen. Wie stellen Pflanzen Nahrung her? Sie verwenden externes Licht, um winzige Kraftwerke in ihrem Inneren anzutreiben, um dies zu tun. Dass sie dies können, hängt in hohem Maße davon ab, wie sie tatsächlich aufgebaut sind.

Strukturen, die im Verhältnis zu ihrer Masse eine große Oberfläche haben, sind gut positioniert, um viel Sonnenlicht einzufangen. Deshalb haben Pflanzen Blätter. Die Tatsache, dass Blätter der grünste Teil der Pflanzen sind, ist das Ergebnis der Chlorophylldichte in den Blättern, da hier die Arbeit der Photosynthese verrichtet wird.

Blätter haben in ihrer Oberfläche Poren entwickelt, die als Stomata (Singular: Stoma) bezeichnet werden. Diese Öffnungen sind die Mittel, mit denen der Flügel den Eintritt und Austritt von CO. kontrollieren kann₂, das für die Photosynthese benötigt wird, und O₂, das ein Abfallprodukt des Prozesses ist. (Es ist widersinnig, sich Sauerstoff als Verschwendung vorzustellen, aber in dieser Umgebung ist es genau genommen genau das.)

Diese Spaltöffnungen helfen dem Blatt auch, seinen Wassergehalt zu regulieren. Wenn viel Wasser vorhanden ist, sind die Blätter steifer und "aufgeblasen" und die Spaltöffnungen neigen dazu, geschlossen zu bleiben. Umgekehrt öffnen sich bei Wassermangel die Spaltöffnungen, um dem Blatt zu helfen, sich selbst zu ernähren.

Pflanzenzellen sind eukaryontische Zellen, das heißt, sie haben sowohl die vier allen Zellen gemeinsamen Strukturen (DNA, eine Zellmembran, Zytoplasma und Ribosomen) als auch eine Reihe spezialisierter Organellen. Pflanzenzellen haben jedoch im Gegensatz zu tierischen und anderen eukaryotischen Zellen Zellwände, wie es Bakterien tun, jedoch unter Verwendung anderer Chemikalien.

Pflanzenzellen haben auch Kerne, und ihre Organellen umfassen die Mitochondrien, das endoplasmatische Retikulum, Golgi-Körper, ein Zytoskelett und Vakuolen. Der entscheidende Unterschied zwischen Pflanzenzellen und anderen eukaryontischen Zellen besteht jedoch darin, dass Pflanzenzellen Chloroplasten.

In Pflanzenzellen befinden sich Organellen, die Chloroplasten genannt werden. Wie Mitochondrien wird angenommen, dass diese relativ früh in der Evolution von eukaryotischen Organismen eingebaut wurden Eukaryoten, mit der Entität, die dazu bestimmt ist, ein Chloroplast zu werden, der dann als freistehende Photosynthese durchführt prokaryot.

Der Chloroplast ist wie alle Organellen von einer doppelten Plasmamembran umgeben. Innerhalb dieser Membran befindet sich das Stroma, das wie das Zytoplasma von Chloroplasten funktioniert. Innerhalb der Chloroplasten befinden sich auch Thylakoide genannte Körper, die wie Münzstapel angeordnet und von einer eigenen Membran umgeben sind.

Chlorophyll gilt als "das" Pigment der Photosynthese, aber es gibt verschiedene Arten von Chlorophyll, und auch andere Pigmente als Chlorophyll sind an der Photosynthese beteiligt. Das Hauptpigment der Photosynthese ist Chlorophyll A. Einige Nicht-Chlorophyll-Pigmente, die an Photosyntheseprozessen teilnehmen, haben eine rote, braune oder blaue Farbe.

Die Lichtreaktionen der Photosynthese verwenden Lichtenergie, um Wasserstoffatome aus Wassermolekülen zu verdrängen, wobei diese Wasserstoffatome durch die Elektronenfluss, der schließlich durch einfallendes Licht freigesetzt wird, um NADPH und ATP zu synthetisieren, die für die nachfolgende Dunkelheit benötigt werden Reaktionen.

Die Lichtreaktionen finden an der Thylakoidmembran, im Chloroplasten, in der Pflanzenzelle statt. Sie kommen in Gang, wenn Licht auf einen Protein-Chlorophyll-Komplex namens. trifft Photosystem II (PSII). Dieses Enzym befreit die Wasserstoffatome von Wassermolekülen. Der Sauerstoff im Wasser ist dann frei, und die dabei frei werdenden Elektronen werden an ein Molekül namens Plastochinol gebunden, wodurch es zu Plastochinon wird. Dieses Molekül überträgt die Elektronen wiederum auf einen Enzymkomplex namens Cytochrom b6f. Dieses ctyb6f nimmt die Elektronen von Plastochinon und bewegt sie zu Plastocyanin.

An dieser Stelle, Fotosystem I (PSI) kommt in die Arbeit. Dieses Enzym nimmt die Elektronen von Plastocyanin und bindet sie an eine eisenhaltige Verbindung namens Ferredoxin. Schließlich wurde ein Enzym namens Ferredoxin-NADP⁺Reduktase (FNR) zur Herstellung von NADPH aus NADP⁺. Sie müssen sich nicht alle diese Verbindungen merken, aber es ist wichtig, ein Gefühl für die kaskadierende, "übergebende" Natur der beteiligten Reaktionen zu haben.

Auch wenn PSII Wasserstoff aus Wasser freisetzt, um die obigen Reaktionen anzutreiben, neigt ein Teil dieses Wasserstoffs dazu, das Thylakoid für das Stroma verlassen zu wollen, entlang seines Konzentrationsgradienten. Die Thylakoidmembran nutzt diesen natürlichen Abfluss, indem sie eine ATP-Synthase-Pumpe in der Membran antreibt, die Phosphatmoleküle an ADP (Adenosindiphosphat) bindet, um ATP herzustellen.

Die Dunkelreaktionen der Photosynthese werden so genannt, weil sie nicht auf Licht angewiesen sind. Sie können jedoch auftreten, wenn Licht vorhanden ist, daher ist ein genauerer, wenn auch umständlicher Name "lichtunabhängige Reaktionen." Um die Sache weiter aufzuklären, werden die dunklen Reaktionen zusammen auch als die. bezeichnet Calvin-Zyklus.

Stellen Sie sich vor, dass beim Einatmen von Luft in Ihre Lunge das Kohlendioxid in dieser Luft in Ihre Lunge gelangen könnte Zellen, die es dann verwenden würden, um die gleiche Substanz herzustellen, die beim Abbau der Nahrung durch Ihren Körper entsteht Essen. Tatsächlich müssten Sie deshalb nie etwas essen. Dies ist im Wesentlichen das Leben einer Pflanze, die das CO₂ es sammelt sich aus der Umwelt (die hauptsächlich als Folge der Stoffwechselprozesse anderer Eukaryoten vorhanden ist), um Glukose herzustellen, die es dann entweder speichert oder für seinen eigenen Bedarf verbrennt.

Sie haben bereits gesehen, dass die Photosynthese damit beginnt, Wasserstoffatome aus Wasser zu befreien und die Energie dieser Atome zu verwenden, um etwas NADPH und etwas ATP herzustellen. Aber der andere Eintrag in die Photosynthese, CO2, wurde bisher nicht erwähnt. Jetzt werden Sie sehen, warum all das NADPH und ATP überhaupt geerntet wurde.

Im ersten Schritt der Dunkelreaktion wird CO2 an ein Zuckerderivat mit fünf Kohlenstoffatomen namens Ribulose 1,5-Bisphosphat gebunden. Diese Reaktion wird durch das Enzym Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase katalysiert, viel einprägsamer bekannt als Rubisco. Es wird angenommen, dass dieses Enzym das am häufigsten vorkommende Protein der Welt ist, da es in allen Pflanzen vorhanden ist, die Photosynthese durchlaufen.

Dieses Sechs-Kohlenstoff-Zwischenprodukt ist instabil und spaltet sich in ein Paar von Drei-Kohlenstoff-Molekülen auf, die als Phosphoglycerat bezeichnet werden. Diese werden dann durch ein Kinase-Enzym phosphoryliert, um 1,3-Bisphosphoglycerat zu bilden. Dieses Molekül wird dann in Glyceraldehyd-3-phosphat (G3P) umgewandelt, wodurch Phosphatmoleküle freigesetzt und NAPDH verbraucht wird, das aus den Lichtreaktionen stammt.

Das bei diesen Reaktionen gebildete G3P kann dann in eine Reihe von unterschiedlichen Reaktionswegen überführt werden, was zu bei der Bildung von Glukose, Aminosäuren oder Lipiden, je nach spezifischem Bedarf der Pflanze Zellen. Pflanzen synthetisieren auch Glukosepolymere, die in der menschlichen Ernährung Stärke und Ballaststoffe liefern.