Entsyymiaktiivisuus fotosynteesissä

Fotosynteesi voidaan puolustaa puolustautuvasti tärkeimmäksi reaktioksi koko biologiassa. Tutki mitä tahansa ruokaverkkoa tai energian virtausjärjestelmää maailmassa, ja huomaat, että se perustuu viime kädessä aurinkoenergiaan aineille, jotka ylläpitävät siinä olevia organismeja. Eläimet luottavat sekä hiilipohjaisiin ravinteisiin (hiilihydraatteihin) että fotosynteesin tuottamaan happeen, koska jopa eläimet jotka saavat kaiken ravintonsa saalistaen muita eläimiä, syövät organismit, jotka itse elävät enimmäkseen tai yksinomaan kasveja.

Fotosynteesistä virtaa siis kaikki muut luonnossa havaitut energianvaihtoprosessit. Kuten glykolyysi ja soluhengityksen reaktiot, fotosynteesillä on joukko vaiheita, entsyymejä ja ainutlaatuisia näkökohtia, jotka on otettava huomioon ja ymmärrettävä roolit, joita fotosynteesin erityisillä katalysaattoreilla on valon ja kaasun muuttumiseen elintarvikkeeksi, ovat kriittisiä biokemia.

Fotosynteesillä oli jotain tekemistä viimeisen syömäsi tuotteen kanssa riippumatta siitä, mikä se oli. Jos se oli kasvipohjainen, väite on yksinkertainen. Jos kyseessä oli hampurilainen, liha tuli melkein varmasti eläimestä, joka itse elää melkein kokonaan kasveissa. Katsottu jonkin verran toisin, jos aurinko sulkeutuu tänään ilman, että maailma jäähtyy, mikä johtaisi kasvien niukkuuteen, maailman elintarviketarjonta katoaisi pian; kasvit, jotka eivät selvästikään ole saalistajia, ovat minkä tahansa ravintoketjun pohjassa.

Fotosynteesi on perinteisesti jaettu valoreaktioihin ja pimeisiin reaktioihin. Molemmilla fotosynteesin reaktioilla on kriittinen rooli; ensimmäiset luottavat auringonvalon tai muun valoenergian läsnäoloon, kun taas jälkimmäiset eivät riipu vaan valoreaktion tuotteista, joilla on substraatti työskennellä. Valoreaktioissa tehdään energiamolekyylejä, joita kasvi tarvitsee hiilihydraattien keräämiseksi, kun taas hiilihydraattisynteesi synnyttää itse pimeät reaktiot. Tämä on jollain tapaa samanlainen kuin aerobinen hengitys, jossa Krebsin kierto, vaikkakaan ei ole merkittävä ATP: n (adenosiinitrifosfaatin, "energiavaluutan") suora lähde, kaikista soluista), tuottaa paljon välimolekyylejä, jotka ajavat suuren ATP: n syntymistä seuraavassa elektroninsiirtoketjussa reaktioita.

Kasvien kriittinen elementti, jonka avulla ne voivat suorittaa fotosynteesiä, on klorofylli, aine, joka löytyy ainutlaatuisista rakenteista, nimeltään kloroplastit.

Fotosynteesin nettoreaktio on todella yksinkertainen. Siinä todetaan hiilidioksidi ja vesi muunnetaan valon energian läsnä ollessa glukoosiksi ja hapeksi prosessin aikana.

6 CO₂ + valo + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Kokonaisreaktio on summa valoreaktiot ja tummat reaktiot fotosynteesistä:

Valoreaktiot:12 H₂O + valo → O₂ + 24 H⁺ + 24e⁻

Tummat reaktiot:6CO₂ + 24 H⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

Lyhyesti sanottuna valoreaktiot käyttävät auringonvaloa pelottamaan elektroneja, jotka kasvi sitten ohjaa ruoan (glukoosin) valmistamiseen. Sitä, miten tämä tapahtuu käytännössä, on tutkittu hyvin ja se on osoitus miljardien vuosien biologisesta evoluutiosta.

Biotieteiden opiskelijoiden yleinen väärinkäsitys on, että fotosynteesi on yksinkertaisesti soluhengitys päinvastoin. Tämä on ymmärrettävää, kun otetaan huomioon, että fotosynteesin nettoreaktio näyttää aivan kuin soluhengitys - alkaen glykolyysi ja päättyen mitokondrioiden aerobisiin prosesseihin (Krebs-sykli ja elektronin siirtoketju) - kulkevat tarkalleen käänteinen.

Reaktiot, jotka muuntavat hiilidioksidin glukoosiksi fotosynteesissä, ovat kuitenkin paljon erilaisia ​​kuin ne, joita käytetään vähentämään glukoosia takaisin hiilidioksidiksi soluhengityksessä. Muista, että kasvit käyttävät myös soluhengitystä. Kloroplastit eivät ole "kasvien mitokondrioita"; kasveilla on myös mitokondrioita.

Ajattele fotosynteesiä sellaisena, joka tapahtuu lähinnä siksi, että kasveilla ei ole suuta, mutta silti luottavat glukoosin polttamiseen ravintoaineena omien polttoaineiden valmistamiseen. Jos kasvit eivät pysty nauttimaan glukoosia, tarvitsevat silti vakaan määrän sitä, heidän on tehtävä näennäisesti mahdoton ja tehtävä se itse. Kuinka kasvit tekevät ruokaa? He käyttävät ulkoista valoa ajaakseen pieniä voimalaitoksia sisätiloissaan tekemään sen. Se, että he voivat tehdä niin, riippuu suurelta osin siitä, miten he todella rakentuvat.

Rakenteet, joilla on paljon pinta-alaa suhteessa massaan, ovat hyvissä asemissa kaappaamaan suuren määrän auringonvaloa, joka kulkee tiensä läpi. Siksi kasveilla on lehtiä. Se, että lehdet ovat yleensä kasvien vihreimpiä osia, on seurausta lehtien klorofyllitiheydestä, koska täällä tehdään fotosynteesityö.

Lehdet ovat kehittäneet huokosia pinnoillaan, joita kutsutaan stomatoiksi (yksikkö: stoma). Nämä aukot ovat keino, jolla lehti voi hallita CO: n sisäänpääsyä ja poistumista₂, jota tarvitaan fotosynteesiin, ja O₂, joka on prosessin jätetuote. (On vasta-ajatus ajatella happea jätteeksi, mutta tässä tilanteessa se on tarkalleen ottaen sitä.)

Nämä stomatat auttavat myös lehtiä säätelemään sen vesipitoisuutta. Kun vettä on runsaasti, lehdet ovat jäykempiä ja "paisuneet" ja stomatat ovat taipuvaisia ​​pysymään suljettuina. Päinvastoin, kun vettä on niukasti, stomatat avautuvat yrittäen auttaa lehtiä ravitsemaan itseään.

Kasvisolut ovat eukaryoottisoluja, mikä tarkoittaa, että niillä on sekä kaikki soluille yhteiset neljä rakennetta (DNA, solukalvo, sytoplasma ja ribosomit) että joukko erikoistuneita organelleja. Kasvisoluilla, toisin kuin eläin- ja muilla eukaryoottisoluilla, on soluseinät, kuten bakteereilla, mutta ne on rakennettu käyttämällä erilaisia ​​kemikaaleja.

Kasvisoluilla on myös ytimiä, ja niiden organelleihin kuuluvat mitokondriot, endoplasman verkkokalvo, Golgin rungot, sytoskeletti ja vakuolit. Mutta kriittinen ero kasvisolujen ja muiden eukaryoottisolujen välillä on se, että kasvisolut sisältävät kloroplastit.

Kasvisolujen sisällä ovat organellit, joita kutsutaan kloroplasteiksi. Mitokondrioiden tavoin näiden uskotaan olevan sisällytetty eukaryoottisiin organismeihin suhteellisen varhaisessa vaiheessa eukaryootit, jonka entiteetistä on tarkoitus tulla kloroplasti, joka on sitten olemassa erillisenä fotosynteesiä suorittavana prokaryootti.

Kloroplastia, kuten kaikkia organelleja, ympäröi kaksinkertainen plasmakalvo. Tämän kalvon sisällä on strooma, joka toimii tavallaan kuten kloroplastien sytoplasma. Kloroplastien sisällä on myös tylakoidiksi kutsuttuja kappaleita, jotka on järjestetty kolikkopinoina ja suljettu omalla kalvollaan.

Klorofylliä pidetään fotosynteesin "pigmenttinä", mutta klorofylliä on useita erityyppisiä, ja muu pigmentti kuin klorofylli osallistuu myös fotosynteesiin. Tärkein fotosynteesissä käytetty pigmentti on klorofylli A. Jotkut ei-klorofyllipigmentit, jotka osallistuvat fotosynteesin prosesseihin, ovat punaisia, ruskeita tai sinisiä.

Fotosynteesin valoreaktiot käyttävät valoenergiaa syrjäyttämään vetyatomit vesimolekyyleistä, näiden vetyatomien elektronivirta, joka lopulta vapautuu tulevasta valosta, jota käytetään syntetisoimaan NADPH ja ATP, joita tarvitaan seuraavaan pimeään reaktioita.

Valoreaktiot tapahtuvat tylakoidikalvolla, kloroplastin sisällä, kasvisolun sisällä. Ne alkavat, kun valo iskee proteiini-klorofyllikompleksi nimeltä photosystem II (PSII). Tämä entsyymi vapauttaa vetyatomit vesimolekyyleistä. Vedessä oleva happi on sitten vapaa, ja prosessissa vapautuneet elektronit kiinnittyvät plastoquinol-nimiseen molekyyliin muuttaen sen plastoquinoniksi. Tämä molekyyli puolestaan ​​siirtää elektronit entsyymikompleksiin, jota kutsutaan sytokromiksi b6f. Tämä ctyb6f ottaa elektronit plakinokinonista ja siirtää ne plastosyaniiniin.

Tässä tilanteessa, valojärjestelmä I (PSI) pääsee työhön. Tämä entsyymi ottaa elektronit plastosyaniinista ja kiinnittää ne rautaa sisältävään yhdisteeseen, nimeltään ferredoksiini. Lopuksi entsyymi nimeltä ferredoksiini – NADP⁺reduktaasi (FNR) NADPH: n valmistamiseksi NADP: sta⁺. Kaikkia näitä yhdisteitä ei tarvitse muistaa, mutta on tärkeää tuntea mukana olevien reaktioiden kaskadinen, "luovuttaminen".

Lisäksi, kun PSII vapauttaa vetyä vedestä yllä olevien reaktioiden aikaansaamiseksi, osa tästä vedystä pyrkii haluamaan jättää tyyliakoidin stromalle pitkin sen pitoisuusgradienttia. Tylakoidikalvo hyödyntää tätä luonnollista ulosvirtausta käyttämällä sitä kalvossa olevan ATP-syntaasipumpun voimaan, joka kiinnittää fosfaattimolekyylit ADP: hen (adenosiinidifosfaatti) ATP: n muodostamiseksi.

Fotosynteesin tummat reaktiot on nimetty, koska ne eivät luota valoon. Niitä voi kuitenkin esiintyä, kun valoa on läsnä, joten tarkempi, joskin hankalampi nimi on "valosta riippumattomat reaktiot"Selvyyden selvittämiseksi pimeät reaktiot tunnetaan yhdessä myös nimellä Calvin-sykli.

Kuvittele, että hengittäessäsi ilmaa keuhkoihisi, sen sisältämä hiilidioksidi voisi päästä tiensä soluja, jotka sitten käyttäisivät sitä saman aineen valmistamiseen, joka syntyy siitä, että kehosi hajottaa sinulle syötetyn ruoan syödä. Itse asiassa tämän vuoksi sinun ei koskaan tarvitse syödä ollenkaan. Tämä on lähinnä CO: ta käyttävän laitoksen elämä₂ se kerää ympäristöstä (mikä tapahtuu suurelta osin muiden eukaryoottien aineenvaihduntaprosessien seurauksena) tuottamaan glukoosia, jonka se sitten joko varastoi tai polttaa omiin tarpeisiinsa.

Olet jo nähnyt, että fotosynteesi alkaa työntämällä vetyatomeja vedestä ja käyttämällä näiden atomien energiaa jonkin verran NADPH: ta ja joitain ATP: tä. Mutta toistaiseksi fotosynteesin muusta panoksesta, CO2: sta, ei ole mainittu. Nyt näet, miksi kaikki tuo NADPH ja ATP korjattiin ensiksi.

Pimeiden reaktioiden ensimmäisessä vaiheessa CO2 kiinnittyy viiden hiilen sokerijohdannaiseen, nimeltään ribuloosi 1,5-bisfosfaatti. Tätä reaktiota katalysoi ribuloosi-1,5-bisfosfaattikarboksylaasi / oksigenaasi-entsyymi, joka tunnetaan paljon muistettavammin nimellä Rubisco. Tämän entsyymin uskotaan olevan runsain proteiini maailmassa, koska sitä on kaikissa fotosynteesin kohteena olevissa kasveissa.

Tämä kuuden hiilen välituote on epävakaa ja jakautuu kolmen hiilen molekyylipariksi, jota kutsutaan fosfoglyseraatiksi. Nämä fosforyloidaan sitten kinaasientsyymillä 1,3-bisfosfoglyseraatin muodostamiseksi. Tämä molekyyli muutetaan sitten glyseraldehydi-3-fosfaatiksi (G3P), mikä vapauttaa fosfaattimolekyylejä ja kuluttaa valoreaktioista johdettua NAPDH: ta.

Näissä reaktioissa luotu G3P voidaan sitten laittaa useille eri reiteille, mikä johtaa glukoosin, aminohappojen tai lipidien muodostumisessa kasvin erityistarpeista riippuen soluja. Kasvit syntetisoivat myös glukoosipolymeerejä, jotka ihmisen ruokavaliossa vaikuttavat tärkkelykseen ja kuituun.