Δραστηριότητα ενζύμου στη φωτοσύνθεση

Η φωτοσύνθεση μπορεί υπερασπιστικά να χαρακτηριστεί ως η πιο σημαντική αντίδραση σε όλη τη βιολογία. Εξετάστε οποιοδήποτε δίκτυο τροφών ή σύστημα ροής ενέργειας στον κόσμο και θα διαπιστώσετε ότι βασίζεται τελικά στην ενέργεια από τον ήλιο για τις ουσίες που υποστηρίζουν τους οργανισμούς σε αυτόν. Τα ζώα βασίζονται τόσο στα θρεπτικά συστατικά με βάση τον άνθρακα (υδατάνθρακες) όσο και στο οξυγόνο που παράγει η φωτοσύνθεση, επειδή ακόμη και τα ζώα που παίρνουν όλη τη διατροφή τους με το θήραμα σε άλλα ζώα καταλήγουν να τρώνε οργανισμούς που ζουν ως επί το πλείστον ή αποκλειστικά φυτά.

Από τη φωτοσύνθεση ρέει έτσι όλες οι άλλες διαδικασίες ανταλλαγής ενέργειας που παρατηρούνται στη φύση. Όπως η γλυκόλυση και οι αντιδράσεις της κυτταρικής αναπνοής, η φωτοσύνθεση έχει μια σειρά βημάτων, ενζύμων και μοναδικών πτυχών που πρέπει να ληφθούν υπόψη και κατανοώντας την ρόλοι που διαδραματίζουν οι συγκεκριμένοι καταλύτες της φωτοσύνθεσης σε αυτό που ισοδυναμεί με τη μετατροπή του φωτός και του αερίου σε τρόφιμα είναι ζωτικής σημασίας για τον έλεγχο των βασικών βιοχημεία.

Η φωτοσύνθεση είχε σχέση με την παραγωγή του τελευταίου φαγητού, ό, τι κι αν ήταν. Εάν ήταν φυτικής προέλευσης, ο ισχυρισμός είναι απλός. Αν ήταν χάμπουργκερ, το κρέας σχεδόν σίγουρα προερχόταν από ένα ζώο που το ίδιο υπήρχε σχεδόν εξ ολοκλήρου στα φυτά. Εξετάστηκε κάπως διαφορετικά, εάν ο ήλιος έκλεινε τον εαυτό του σήμερα χωρίς να κάνει τον κόσμο να κρυώσει, κάτι που θα οδηγούσε σε σπάνια φυτά, η παγκόσμια τροφοδοσία τροφίμων θα εξαφανιστεί σύντομα. Τα φυτά, τα οποία σαφώς δεν είναι αρπακτικά, βρίσκονται στον πυθμένα κάθε τροφικής αλυσίδας.

Η φωτοσύνθεση χωρίζεται παραδοσιακά στις αντιδράσεις φωτός και στις σκοτεινές αντιδράσεις. Και οι δύο αντιδράσεις στη φωτοσύνθεση παίζουν κρίσιμους ρόλους. Οι πρώτοι βασίζονται στην παρουσία ηλιακού φωτός ή άλλης φωτεινής ενέργειας, ενώ οι τελευταίοι δεν εξαρτώνται παρά από τα προϊόντα της αντίδρασης φωτός για να δουλέψουν. Στις αντιδράσεις φωτός, παράγονται τα ενεργειακά μόρια που χρειάζεται το φυτό για τη συγκέντρωση υδατανθράκων, ενώ η ίδια η σύνθεση υδατανθράκων εμφανίζεται οι σκοτεινές αντιδράσεις. Αυτό είναι παρόμοιο με ορισμένους τρόπους με την αερόβια αναπνοή, όπου ο κύκλος του Krebs, αν και δεν αποτελεί σημαντική άμεση πηγή ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη, το «ενεργειακό νόμισμα») όλων των κυττάρων), παράγει πολλά ενδιάμεσα μόρια που οδηγούν στη δημιουργία πολλών ΑΤΡ στην επόμενη αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων αντιδράσεις.

Το κρίσιμο στοιχείο στα φυτά που τους επιτρέπει να κάνουν φωτοσύνθεση είναι χλωροφύλλη, μια ουσία που βρίσκεται σε μοναδικές δομές που ονομάζονται χλωροπλάστες.

Η καθαρή αντίδραση της φωτοσύνθεσης είναι στην πραγματικότητα πολύ απλή. Δηλώνει ότι διοξείδιο του άνθρακα και νερό, παρουσία ελαφριάς ενέργειας, μετατρέπονται σε γλυκόζη και οξυγόνο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας.

6 CO₂ + φως + 6 ώρες₂Ο → Γ₆Η₁₂Ο₆ + 6 O₂

Η συνολική αντίδραση είναι ένα άθροισμα του ελαφριές αντιδράσεις και το σκοτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης:

Φως αντιδράσεις:12 Η₂O + φως → O₂ + 24 ώρες⁺ + 24ε⁻

Σκοτεινές αντιδράσεις:6CO₂ + 24 ώρες⁺ + 24 ε⁻ → Γ₆Η₁₂Ο₆ + 6 Ω₂Ο

Με λίγα λόγια, οι αντιδράσεις φωτός χρησιμοποιούν το φως του ήλιου για να τρομάξουν τα ηλεκτρόνια που το φυτό διοχετεύει στη συνέχεια στην παραγωγή τροφής (γλυκόζη). Το πώς συμβαίνει αυτό στην πράξη έχει μελετηθεί καλά και αποτελεί απόδειξη βιολογικής εξέλιξης δισεκατομμυρίων ετών.

Μια κοινή παρανόηση μεταξύ των ανθρώπων που μελετούν τις βιοεπιστήμες είναι ότι η φωτοσύνθεση είναι απλώς κυτταρική αναπνοή αντίστροφα. Αυτό είναι κατανοητό, δεδομένου ότι η καθαρή αντίδραση της φωτοσύνθεσης μοιάζει με κυτταρική αναπνοή - ξεκινώντας από γλυκόλυση και τελειώνει με τις αερόβιες διεργασίες (κύκλος Krebs και αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων) στα μιτοχόνδρια - εκτελείται ακριβώς στο ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗ.

Οι αντιδράσεις που μετατρέπουν το διοξείδιο του άνθρακα σε γλυκόζη στη φωτοσύνθεση είναι πολύ διαφορετικές, ωστόσο, από αυτές που χρησιμοποιούνται για τη μείωση της γλυκόζης πίσω σε διοξείδιο του άνθρακα στην κυτταρική αναπνοή. Τα φυτά, λάβετε υπόψη, χρησιμοποιούν επίσης την κυτταρική αναπνοή. Οι χλωροπλάστες δεν είναι "τα μιτοχόνδρια των φυτών". Τα φυτά έχουν επίσης μιτοχόνδρια.

Σκεφτείτε τη φωτοσύνθεση ως κάτι που συμβαίνει κυρίως επειδή τα φυτά δεν έχουν στόματα, αλλά εξακολουθούν να βασίζονται στην καύση γλυκόζης ως θρεπτική ουσία για να φτιάξουν τα δικά τους καύσιμα. Εάν τα φυτά δεν μπορούν να καταπιούν γλυκόζη, αλλά εξακολουθούν να απαιτούν σταθερή τροφοδοσία της, τότε πρέπει να κάνουν το φαινομενικά αδύνατο και να το κάνουν μόνοι τους. Πώς δημιουργούν τα φυτά τρόφιμα; Χρησιμοποιούν εξωτερικό φως για να οδηγήσουν μικροσκοπικούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας μέσα τους για να το κάνουν. Το ότι μπορούν να το κάνουν εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το πώς είναι πραγματικά δομημένοι.

Οι δομές που έχουν μεγάλη επιφάνεια σε σχέση με τη μάζα τους είναι σε καλή θέση για να συλλάβουν πολύ το φως του ήλιου που περνάει. Γι 'αυτό τα φυτά έχουν φύλλα. Το γεγονός ότι τα φύλλα τείνουν να είναι το πιο πράσινο μέρος των φυτών είναι το αποτέλεσμα της πυκνότητας της χλωροφύλλης στα φύλλα, καθώς εδώ γίνεται το έργο της φωτοσύνθεσης.

Τα φύλλα έχουν εξελιχθεί πόρους στις επιφάνειές τους που ονομάζονται στομάτα (ενικό: στομά). Αυτά τα ανοίγματα είναι τα μέσα με τα οποία το φύλλο μπορεί να ελέγχει την είσοδο και την έξοδο του CO₂, που απαιτείται για τη φωτοσύνθεση και το O₂, το οποίο είναι ένα απόβλητο της διαδικασίας. (Είναι αντίθετο να θεωρούμε το οξυγόνο ως απόβλητο, αλλά σε αυτό το πλαίσιο, αυστηρά μιλώντας, αυτό είναι.)

Αυτά τα στομάτα βοηθούν επίσης το φύλλο να ρυθμίσει την περιεκτικότητα σε νερό. Όταν το νερό είναι άφθονο, τα φύλλα είναι πιο άκαμπτα και «διογκωμένα» και τα στομάτια τείνουν να παραμένουν κλειστά. Αντίθετα, όταν το νερό είναι λιγοστό, τα στομάτα ανοίγουν σε μια προσπάθεια να βοηθήσουν το φύλλο να τρέφεται.

Τα φυτικά κύτταρα είναι ευκαρυωτικά κύτταρα, πράγμα που σημαίνει ότι έχουν και τις τέσσερις κοινές δομές σε όλα τα κύτταρα (DNA, κυτταρική μεμβράνη, κυτταρόπλασμα και ριβοσώματα) και έναν αριθμό εξειδικευμένων οργανιδίων. Τα φυτικά κύτταρα, ωστόσο, σε αντίθεση με τα ζωικά και άλλα ευκαρυωτικά κύτταρα, έχουν κυτταρικά τοιχώματα, όπως τα βακτήρια, αλλά κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας διαφορετικές χημικές ουσίες.

Τα φυτικά κύτταρα έχουν επίσης πυρήνες, και τα οργανίδια τους περιλαμβάνουν τα μιτοχόνδρια, το ενδοπλασματικό δίκτυο, τα σώματα Golgi, έναν κυτταροσκελετό και κενοτόπια. Αλλά η κρίσιμη διαφορά μεταξύ των φυτικών κυττάρων και άλλων ευκαρυωτικών κυττάρων είναι ότι τα φυτικά κύτταρα περιέχουν χλωροπλάστες.

Μέσα στα φυτικά κύτταρα υπάρχουν οργανίδια που ονομάζονται χλωροπλάστες. Όπως τα μιτοχόνδρια, αυτά πιστεύεται ότι έχουν ενσωματωθεί σε ευκαρυωτικούς οργανισμούς σχετικά νωρίς στην εξέλιξη του ευκαρυωτικά, με την οντότητα που προορίζεται να γίνει χλωροπλάστης που τότε υπήρχε ως μια ανεξάρτητη φωτοσύνθεση που εκτελεί προκαρυώτης.

Ο χλωροπλάστης, όπως όλα τα οργανίδια, περιβάλλεται από διπλή μεμβράνη πλάσματος. Μέσα σε αυτήν τη μεμβράνη βρίσκεται το στρώμα, το οποίο λειτουργεί σαν το κυτταρόπλασμα των χλωροπλαστών. Επίσης μέσα στους χλωροπλάστες υπάρχουν σώματα που ονομάζονται θυλακοειδή, τα οποία είναι διατεταγμένα σαν στοίβες κερμάτων και περικλείονται από μια δική τους μεμβράνη.

Η χλωροφύλλη θεωρείται "η" χρωστική της φωτοσύνθεσης, αλλά υπάρχουν αρκετοί διαφορετικοί τύποι χλωροφύλλης, και η χρωστική εκτός της χλωροφύλλης συμμετέχει επίσης στη φωτοσύνθεση. Η κύρια χρωστική ουσία που χρησιμοποιείται στη φωτοσύνθεση είναι η χλωροφύλλη Α. Ορισμένες χρωστικές μη-χλωροφύλλης που συμμετέχουν σε φωτοσυνθετικές διεργασίες έχουν κόκκινο, καφέ ή μπλε χρώμα.

Οι αντιδράσεις φωτός της φωτοσύνθεσης χρησιμοποιούν ελαφριά ενέργεια για να εκτοπίσουν άτομα υδρογόνου από μόρια νερού, με αυτά τα άτομα υδρογόνου, που τροφοδοτούνται από ροή ηλεκτρονίων που απελευθερώθηκε τελικά από το εισερχόμενο φως, που χρησιμοποιείται για τη σύνθεση NADPH και ATP, τα οποία απαιτούνται για το επόμενο σκοτάδι αντιδράσεις.

Οι αντιδράσεις φωτός εμφανίζονται στη μεμβράνη του θυλακοειδούς, μέσα στον χλωροπλάστη, στο εσωτερικό του φυτικού κυττάρου. Ξεκινούν όταν το φως χτυπά ένα σύμπλεγμα πρωτεΐνης-χλωροφύλλης που ονομάζεται φωτοσύστημα II (PSII). Αυτό το ένζυμο είναι αυτό που απελευθερώνει τα άτομα υδρογόνου από μόρια νερού. Το οξυγόνο στο νερό είναι τότε ελεύθερο και τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται κατά τη διαδικασία συνδέονται με ένα μόριο που ονομάζεται πλαστοκινόλη, μετατρέποντάς το σε πλαστοκινόνη. Αυτό το μόριο με τη σειρά του μεταφέρει τα ηλεκτρόνια σε ένα σύμπλεγμα ενζύμων που ονομάζεται cytochrome b6f. Αυτό το ctyb6f παίρνει τα ηλεκτρόνια από την πλαστοκινόνη και τα μετακινεί στην πλαστοκυανίνη.

Σε αυτό το σημείο, φωτοσύστημα I (PSI) παίρνει τη δουλειά. Αυτό το ένζυμο παίρνει τα ηλεκτρόνια από την πλαστοκυανίνη και τα συνδέει με μια ένωση που περιέχει σίδηρο που ονομάζεται φερρεδοξίνη. Τέλος, ένα ένζυμο που ονομάζεται ferredoxin – NADP⁺αναγωγάση (FNR) για να δημιουργήσει NADPH από το NADP⁺. Δεν χρειάζεται να απομνημονεύσετε όλες αυτές τις ενώσεις, αλλά είναι σημαντικό να έχετε μια αίσθηση της επικαλυπτόμενης, «παραδοτέας» φύσης των εμπλεκόμενων αντιδράσεων.

Επίσης, όταν το PSII απελευθερώνει το υδρογόνο από το νερό για να τροφοδοτήσει τις παραπάνω αντιδράσεις, κάποιο από αυτό το υδρογόνο τείνει να θέλει να αφήσει το θυλακοειδές για το στρώμα, κάτω από τη βαθμίδα συγκέντρωσης. Η μεμβράνη του θυλακοειδούς εκμεταλλεύεται αυτήν τη φυσική εκροή χρησιμοποιώντας τη για να τροφοδοτήσει μια αντλία συνθάσης ΑΤΡ στη μεμβράνη, η οποία προσκολλά τα μόρια φωσφορικών στο ADP (διφωσφορική αδενοσίνη) για την παραγωγή ΑΤΡ.

Οι σκοτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης ονομάζονται τόσο επειδή δεν βασίζονται στο φως. Ωστόσο, μπορούν να εμφανιστούν όταν υπάρχει φως, οπότε ένα πιο ακριβές, αν είναι πιο δύσκολο, το όνομα είναι "ανεξάρτητες από το φως αντιδράσεις"Για να ξεκαθαρίσουμε περαιτέρω τα πράγματα, οι σκοτεινές αντιδράσεις είναι επίσης γνωστές ως Κύκλος Calvin.

Φανταστείτε ότι, όταν εισπνέετε αέρα στους πνεύμονές σας, το διοξείδιο του άνθρακα σε αυτόν τον αέρα θα μπορούσε να εισέλθει στο δικό σας κύτταρα, τα οποία στη συνέχεια θα το χρησιμοποιούσαν για να φτιάξουν την ίδια ουσία που προκύπτει από το σώμα σας που διαλύει την τροφή σας τρώω. Στην πραγματικότητα, εξαιτίας αυτού, δεν θα χρειαστεί ποτέ να φάτε καθόλου. Αυτή είναι ουσιαστικά η ζωή ενός φυτού, το οποίο χρησιμοποιεί το CO₂ μαζεύει από το περιβάλλον (το οποίο είναι σε μεγάλο βαθμό ως αποτέλεσμα των μεταβολικών διεργασιών άλλων ευκαρυωτικών) για να παράγει γλυκόζη, την οποία είτε αποθηκεύει είτε καίει για τις δικές της ανάγκες.

Έχετε ήδη δει ότι η φωτοσύνθεση ξεκινά χτυπώντας άτομα υδρογόνου απαλλαγμένα από νερό και χρησιμοποιώντας την ενέργεια από αυτά τα άτομα για να φτιάξετε κάποια NADPH και κάποια ATP. Αλλά μέχρι στιγμής, δεν έχει αναφερθεί η άλλη είσοδος στη φωτοσύνθεση, CO2. Τώρα θα δείτε γιατί όλα αυτά τα NADPH και ATP συλλέχθηκαν στην πρώτη θέση.

Στο πρώτο βήμα των σκοτεινών αντιδράσεων, το CO2 συνδέεται με ένα παράγωγο σακχάρου πέντε-άνθρακα που ονομάζεται 1,5-διφωσφορική ριβουλόζη. Αυτή η αντίδραση καταλύεται από το ένζυμο ριβουλόζη-1,5-διφωσφορική καρβοξυλάση / οξυγονάση, πολύ πιο γνωστό ως Ρουμπίσκο. Αυτό το ένζυμο πιστεύεται ότι είναι η πιο άφθονη πρωτεΐνη στον κόσμο, δεδομένου ότι υπάρχει σε όλα τα φυτά που υφίστανται φωτοσύνθεση.

Αυτό το ενδιάμεσο έξι-άνθρακα είναι ασταθές και χωρίζεται σε ένα ζεύγος μορίων τριών-άνθρακα που ονομάζονται φωσφογλυκερικό. Αυτά στη συνέχεια φωσφορυλιώνονται από ένα ένζυμο κινάσης για να σχηματίσουν 1,3-διφωσφογλυκερικό. Αυτό το μόριο στη συνέχεια μετατρέπεται σε γλυκεραλδεϋδη-3-φωσφορικό (G3P), απελευθερώνοντας φωσφορικά μόρια και καταναλώνοντας NAPDH που προέρχεται από τις αντιδράσεις φωτός.

Το G3P που δημιουργείται σε αυτές τις αντιδράσεις μπορεί στη συνέχεια να τοποθετηθεί σε μια σειρά διαφορετικών οδών, με αποτέλεσμα στο σχηματισμό γλυκόζης, αμινοξέων ή λιπιδίων, ανάλογα με τις συγκεκριμένες ανάγκες του φυτού κύτταρα. Τα φυτά συνθέτουν επίσης πολυμερή γλυκόζης που στην ανθρώπινη διατροφή συμβάλλουν στο άμυλο και τις ίνες.