Ensüümide aktiivsus fotosünteesis

Fotosünteesi saab kaitsetult nimetada kogu bioloogia kõige olulisemaks reaktsiooniks. Uurige kõiki toiduvõrke või energiavoolusüsteeme maailmas ja leiate, et see toetub lõpuks päikeselt saadavale energiale ainete jaoks, mis selles organismi toetavad. Loomad toetuvad nii süsinikupõhistele toitainetele (süsivesikud) kui ka fotosünteesi tekitatavale hapnikule, sest isegi loomad kes saavad kogu oma toitu teiste loomade saagiks saamise tagajärjel, söövad organismid, kes ise elavad enamasti või eranditult taimed.

Fotosünteesist voolavad seega kõik muud looduses täheldatud energiavahetuse protsessid. Nagu glükolüüs ja rakuhingamise reaktsioonid, on ka fotosünteesil palju samme, ensüüme ja ainulaadseid aspekte, mida tuleb arvestada, ning mõista rollid, mida fotosünteesi konkreetsed katalüsaatorid mängivad valguse ja gaasi muundamisel toiduks, on põhiliste biokeemia.

Fotosünteesil oli midagi pistmist viimase söödud asja tootmisega, mis iganes see ka ei olnud. Kui see oli taimepõhine, on väide otsene. Kui see oli hamburger, tuli liha peaaegu kindlasti loomalt, kes ise elas peaaegu täielikult taimedel. Mõnevõrra teisiti vaadates, kui päike peaks ennast täna sulgema, ilma et maailm jahtuks, mis tooks kaasa taimede nappuse, kaoks maailma toiduvarustus peagi; taimed, mis ilmselgelt ei ole kiskjad, on mis tahes toiduahela kõige põhjas.

Fotosüntees jaguneb traditsiooniliselt heledateks ja tumedateks reaktsioonideks. Mõlemal fotosünteesi reaktsioonil on kriitiline roll; esimesed tuginevad päikesevalguse või muu valgusenergia olemasolule, samas kui teised ei sõltu vaid valgusreaktsiooni produktidest, et neil oleks substraat, millega töötada. Valgusreaktsioonides valmistatakse energia molekule, mida taim vajab süsivesikute kogumiseks, samal ajal kui süsivesikute süntees toimub tumedate reaktsioonidena. See sarnaneb mõnes mõttes aeroobse hingamisega, kus Krebsi tsükkel, ehkki mitte ATP peamine otsene allikas (adenosiinitrifosfaat, "energiavaluuta") kõigist rakkudest), genereerib palju vahemolekule, mis ajendavad järgnevas elektronitranspordiahelas palju ATP-d looma reaktsioonid.

Taimede kriitiline element, mis võimaldab neil fotosünteesi läbi viia, on klorofüll, ainet, mida leidub unikaalsetes struktuurides, nn kloroplastid.

Fotosünteesi netoreaktsioon on tegelikult väga lihtne. Selles on öeldud süsinikdioksiid ja vesi muudetakse valgusenergia manulusel protsessi käigus glükoosiks ja hapnikuks.

6 CO₂ + valgus + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Üldine reaktsioon on summa kerged reaktsioonid ja tumedad reaktsioonid fotosünteesi kohta:

Valgusreaktsioonid:12 H₂O + valgus → O₂ + 24 H⁺ + 24e⁻

Tumedad reaktsioonid:6CO₂ + 24 H⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

Lühidalt öeldes kasutavad valgusreaktsioonid päikesevalgust elektronide hirmutamiseks, mille taim kanaliseerib seejärel toidu (glükoosi) valmistamiseks. Kuidas see praktikas toimub, on hästi uuritud ja see annab tunnistust miljardite aastate pikkusest bioloogilisest arengust.

Eluteadusi õppivate inimeste seas on levinud väärarusaam, et fotosüntees on lihtsalt rakuhingamine vastupidi. See on mõistetav, arvestades, et fotosünteesi netoreaktsioon näeb välja nagu rakuline hingamine - alustades sellest glükolüüs ja lõpetades aeroobsete protsessidega (Krebsi tsükkel ja elektronide transpordiahel) mitokondrites - kulgevad täpselt tagurpidi.

Reaktsioonid, mis muundavad fotosünteesis süsinikdioksiidi glükoosiks, on siiski palju erinevad kui need, mida kasutatakse glükoosi vähendamiseks tagasi rakuhingamisel süsinikdioksiidiks. Pidage meeles, et taimed kasutavad ka rakuhingamist. Kloroplastid ei ole "taimede mitokondrid"; ka taimedel on mitokondrid.

Mõelge fotosünteesist kui millestki, mis juhtub peamiselt seetõttu, et taimedel pole suud, kuid tuginevad siiski oma kütuse valmistamiseks glükoosi kui toitaine põletamisele. Kui taimed ei saa glükoosi omastada, vajavad nad siiski selle pidevat varumist, peavad nad näiliselt võimatuks tegema ja selle ise tegema. Kuidas taimed toitu teevad? Nad kasutavad välist valgust, et juhtida enda sees pisikesi elektrijaamu. See, et nad saavad seda teha, sõltub suurel määral nende tegelikust ülesehitusest.

Konstruktsioonid, mille massi suhtes on palju pinda, on hästi paigutatud, et jäädvustada palju nende teelt mööduvat päikesevalgust. Sellepärast on taimedel lehed. See, et lehed kipuvad olema taimede kõige rohelisem osa, tuleneb klorofülli tihedusest lehtedel, kuna siin tehakse fotosünteesi tööd.

Lehtedel on pinnal arenenud poorid, mida nimetatakse stomaatideks (ainsusena: stoom). Need avad on vahend, mille abil leht saab kontrollida CO sisenemist ja väljumist₂, mis on vajalik fotosünteesiks, ja O₂, mis on protsessi jääkaine. (Hapnikust jäätmeks pidamine on vastumeelne, kuid selles olukorras rangelt võttes see nii on.)

Need stomad aitavad lehel reguleerida ka veesisaldust. Kui vett on palju, on lehed jäigemad ja "pumbatud" ning stomaadid kalduvad jääma suletuks. Ja vastupidi, kui vett on vähe, avanevad stomaadid, püüdes aidata lehel ennast ise toita.

Taimerakud on eukarüootsed rakud, mis tähendab, et neil on nii kõikidele rakkudele ühine neli struktuuri (DNA, rakumembraan, tsütoplasma ja ribosoomid) kui ka mitmed spetsialiseerunud organellid. Taimerakkudel on aga erinevalt loomsetest ja muudest eukarüootsetest rakkudest rakuseinad, nagu bakteritel, kuid mis on ehitatud erinevate kemikaalide abil.

Taimerakkudel on ka tuumad ja nende organellide hulka kuuluvad mitokondrid, endoplasmaatiline retikulum, Golgi kehad, tsütoskelett ja vakuoolid. Kuid kriitiline erinevus taimerakkude ja teiste eukarüootsete rakkude vahel on see, mida taimerakud sisaldavad kloroplastid.

Taimerakkudes on organellid, mida nimetatakse kloroplastideks. Nagu mitokondrid, arvatakse, et need on eukarüootsetesse organismidesse sisse viidud suhteliselt varajases arengus eukarüoodid, mille kloroplastiks muutumiseks mõeldud üksus eksisteerib seejärel iseseisva fotosünteesi prokarüoot.

Kloroplast, nagu kõik organellid, on ümbritsetud kahekordse plasmamembraaniga. Selles membraanis on strooma, mis toimib umbes nagu kloroplastide tsütoplasma. Kloroplastide sees on ka kehad, mida nimetatakse tülakoidideks, mis on paigutatud nagu mündihunnikud ja ümbritsetud oma membraaniga.

Klorofülli peetakse fotosünteesi "pigmendiks", kuid klorofülli on mitut erinevat tüüpi ja ka fotosünteesis osaleb muu pigment peale klorofülli. Peamine fotosünteesis kasutatav pigment on klorofüll A. Mõned fotosünteesiprotsessides osalevad mitte-klorofüllipigmendid on punast, pruuni või sinist värvi.

Fotosünteesi valgusreaktsioonid kasutavad valgusenergiat vesinikuaatomite väljatõrjumiseks veemolekulidest, nende vesiniku aatomitega elektronide voog, mille lõpuks vabastab sissetulev valgus, mida kasutatakse järgneva pimeduse jaoks vajalike NADPH ja ATP sünteesimiseks reaktsioonid.

Valgusreaktsioonid toimuvad tülakoidmembraanil, kloroplasti sees, taimeraku sees. Nad saavad käima, kui valgus tabab valgu-klorofülli kompleksi, mida nimetatakse fotosüsteem II (PSII). See ensüüm vabastab vesiniku aatomid veemolekulidest. Seejärel on vees sisalduv hapnik vaba ja protsessis vabanenud elektronid kinnitatakse molekuli nimega plastoquinol, muutes selle plastoquinooniks. See molekul kannab omakorda elektronid ensüümide kompleksi, mida nimetatakse tsütokroomiks b6f. See ctyb6f võtab elektronid plastokinoonist ja viib plastotsüaniini.

Sel hetkel, I fotosüsteem (PSI) saab tööle. See ensüüm võtab plastotsüaniinist elektronid ja seob need rauda sisaldava ühendiga, mida nimetatakse ferredoksiiniks. Lõpuks ensüüm nimega ferredoksiin – NADP⁺reduktaas (FNR) NADPH saamiseks NADPH-st⁺. Kõiki neid ühendeid ei pea pähe õppima, kuid oluline on tunda kaasnevate reaktsioonide kaskaadset, "üleandmist".

Samuti, kui PSII vabastab ülalnimetatud reaktsioonide saamiseks veest vesiniku, kipub osa sellest vesinikust soovima lahkuda tülakoidist strooma jaoks, pidades silmas selle kontsentratsiooni gradienti. Tülakoidmembraan kasutab seda loomulikku väljavoolu ära, kasutades seda membraanis oleva ATP süntaasipumba toitmiseks, mis kinnitab ATP saamiseks fosfaatmolekulid ADP-le (adenosiindifosfaat).

Fotosünteesi tumedad reaktsioonid on nii nimetatud, kuna need ei tugine valgusele. Kuid need võivad ilmneda valguse olemasolul, nii et täpsem, kui tülikam nimi on "valgusest sõltumatud reaktsioonid"Et veelgi selgemaks saada, on tumedad reaktsioonid koos tuntud ka kui Calvini tsükkel.

Kujutage ette, et kui kopsudesse õhku sisse hingate, võib selles õhus sisalduv süsinikdioksiid jõuda teie sisse rakud, mis kasutaksid seda seejärel sama aine valmistamiseks, mis on tingitud sellest, et keha lagundab teie toitu sööma. Tegelikult ei peaks selle pärast kunagi üldse sööma. See on sisuliselt CO-ga töötava taime elu₂ see koguneb keskkonnast (mis on seal peamiselt teiste eukarüootide ainevahetusprotsesside tagajärjel) glükoosi tootmiseks, mida see siis kas enda tarbeks salvestab või põletab.

Olete juba näinud, et fotosüntees algab vesinikuaatomite veest vabaks löömisega ja nende aatomite energia kasutamisega mõne NADPH ja osa ATP saamiseks. Kuid siiani pole mainitud muud fotosünteesi sisendit, CO2. Nüüd näete, miks kogu see NADPH ja ATP üldse koristati.

Pimedate reaktsioonide esimeses etapis kinnitatakse CO2 viie süsinikuga suhkru derivaadile, mida nimetatakse ribuloos-1,5-bisfosfaadiks. Seda reaktsiooni katalüüsib ensüüm ribuloos-1,5-bisfosfaatkarboksülaas / oksügenaas, palju meeldejäävamalt tuntud kui Rubisco. Arvatakse, et see ensüüm on kõige rikkalikum valk maailmas, arvestades, et seda leidub kõigis fotosünteesi läbivates taimedes.

See kuue süsinikuga vaheühend on ebastabiilne ja jaguneb kolmeks süsinikmolekuliks, mida nimetatakse fosfoglütseraadiks. Seejärel fosforüülitakse need kinaasi ensüümi abil, moodustades 1,3-bisfosfoglütseraadi. Seejärel muundatakse see molekul glütseraldehüüd-3-fosfaadiks (G3P), vabastades fosfaatmolekulid ja tarbides valgusreaktsioonidest saadud NAPDH.

Nendes reaktsioonides loodud G3P saab seejärel viia mitmesse erinevasse rada glükoosi, aminohapete või lipiidide moodustumisel, sõltuvalt taime konkreetsetest vajadustest rakke. Taimed sünteesivad ka glükoosi polümeere, mis inimese toidus toidavad tärklist ja kiudaineid.