A fotoszintézist védekezéssel az egész biológia legfontosabb reakciójának lehet nevezni. Vizsgálja meg a világ bármely táplálékhálóját vagy energiaáramlási rendszerét, és rájön, hogy az végül a nap energiájára támaszkodik azokban az anyagokban, amelyek fenntartják a benne található organizmusokat. Az állatok a fotoszintézis során keletkező szénalapú tápanyagokra (szénhidrátokra) és oxigénre egyaránt támaszkodnak, mert még az állatok is amelyek teljes táplálékukat úgy kapják, hogy más állatokat zsákmányolnak, olyan organizmusokat fogyasztanak, amelyek maguk is többnyire vagy kizárólag élnek növények.
A fotoszintézisből így áramlik a természetben megfigyelt összes többi energiacsere-folyamat. A glikolízishez és a sejtlégzés reakcióihoz hasonlóan a fotoszintézisnek is rengeteg lépése, enzimje és egyedi szempontja van, amelyet figyelembe kell venni, és meg kell értenie a azok a szerepek, amelyeket a fotoszintézis specifikus katalizátorai játszanak a fény és a gáz élelmiszerekké történő átalakításában, kritikus fontosságúak az alapvető biokémia.
Mi a fotoszintézis?
A fotoszintézisnek köze volt az utoljára elfogyasztott dolgok előállításához, bármi is legyen az. Ha növényi alapú volt, az állítás egyértelmű. Ha hamburger volt, akkor a hús szinte biztosan olyan állatból származott, amely maga szinte teljes egészében a növényeken élt. Némileg másképp nézve, ha a Nap ma elzárná magát anélkül, hogy a világ lehűlne, ami a növények szűkösségéhez vezetne, a világ élelmiszerellátása hamarosan elenyészne; a növények, amelyek nyilvánvalóan nem ragadozók, minden tápláléklánc legalján találhatók.
A fotoszintézis hagyományosan a világos és a sötét reakciókra oszlik. A fotoszintézis mindkét reakciója kritikus szerepet játszik; az előbbiek a napfény vagy más fényenergia jelenlétére támaszkodnak, míg az utóbbiak nem csak a fényreakció termékeitől függenek, hogy szubsztrátjuk legyen. A fényreakciókban azok az energiamolekulák készülnek, amelyekre a növénynek szénhidrátok összegyűjtéséhez szükséges, míg a szénhidrátszintézis maga a sötét reakciókat eredményezi. Ez bizonyos szempontból hasonló az aerob légzéshez, ahol a Krebs ciklikus, bár nem közvetlen közvetlen ATP-forrás (adenozin-trifoszfát, az "energiavaluta") az összes sejtből), nagyon sok köztiterméket generál, amelyek nagy mennyiségű ATP létrejöttét eredményezik a következő elektrontranszportláncban reakciókat.
A növények kritikus eleme, amely lehetővé teszi számukra a fotoszintézist, az klorofill, olyan anyag, amely egyedi szerkezetekben található, ún kloroplasztok.
A fotoszintézis egyenlete
A fotoszintézis nettó reakciója valójában nagyon egyszerű. Azt állítja a szén-dioxid és a víz fényenergia jelenlétében a folyamat során glükózzá és oxigénné alakul.
6 CO2 + fény + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
A teljes reakció a fényreakciók és a sötét reakciók fotoszintézis
Fényreakciók:12 H2O + fény → O2 + 24 H+ + 24e−
Sötét reakciók:6CO2 + 24 H+ + 24 e− → C6H12O6 + 6 H2O
Röviden: a fényreakciók a napfény segítségével megijesztik azokat az elektronokat, amelyeket a növény aztán táplálék (glükóz) készítésére irányít. Azt, hogy ez a gyakorlatban hogyan fordul elő, jól tanulmányozták, és ez bizonyítja a biológiai evolúció milliárd éveit.
A fotoszintézis vs. Sejtlégzés
Az élettudományokat tanulmányozó emberek körében általános tévhit, hogy a fotoszintézis egyszerűen a sejtek légzését fordítva jelenti. Ez érthető, tekintve, hogy a fotoszintézis nettó reakciója pontosan úgy néz ki, mint a sejtlégzés - kezdve glikolízis és a mitokondriumokban az aerob folyamatokkal (Krebs-ciklus és elektrontranszportlánc) zárul le - pontosan fordított.
A fotoszintézis során a szén-dioxiddá glükózzá alakuló reakciók azonban jóval eltérnek attól, amelyek a glükóz visszaszorításáig széndioxiddá válnak a sejtlégzés során. A növények, szem előtt tartva, a sejtek légzését is igénybe veszik. A kloroplasztok nem "a növények mitokondriumai"; a növények mitokondriumokkal is rendelkeznek.
Gondoljon a fotoszintézisre, mint ami főleg azért történik, mert a növényeknek nincs szájuk, mégis a glükóz mint tápanyag elégetésére támaszkodnak saját üzemanyaguk előállításához. Ha a növények nem tudják elfogyasztani a glükózt, akkor is állandó tápellátást igényelnek, akkor a lehetetlennek tűnő dolgokat meg kell tenniük és maguknak kell elkészíteniük. Hogyan készítik a növények az ételt? Külső fényt használnak arra, hogy apró erőműveket hajtsanak végre bennük. Hogy ezt megtehetik, nagyban függ attól, hogy valójában hogyan is vannak felépítve.
A növények szerkezete
Azok a szerkezetek, amelyek tömegükhöz képest nagy felületűek, jól vannak elhelyezve, hogy nagy mennyiségű napfényt megragadjanak az útjukon. Ezért van a növényeknek levele. Az a tény, hogy a levelek általában a növények legzöldebb részei, a levelekben lévő klorofill sűrűségének az eredménye, mivel itt végzik a fotoszintézis munkáját.
A levelek felületükön pórusokat alakítottak ki, úgynevezett sztómáknak (egyes szám: sztóma). Ezek a nyílások azok az eszközök, amelyekkel a levél vezérelheti a CO be- és kilépését2, amely a fotoszintézishez szükséges, és az O2, amely a folyamat hulladékterméke. (Ellentmondó az oxigént hulladéknak gondolni, de ebben a helyzetben szigorúan véve ez az.)
Ezek a sztómák a levél víztartalmának szabályozásában is segítenek. Ha a víz bőséges, a levelek merevebbek és "felfújtabbak", és a sztómák hajlamosak zárva maradni. Ezzel szemben, ha kevés a víz, a sztómák megnyílnak annak érdekében, hogy segítsenek a levélnek táplálni önmagát.
A növényi sejt felépítése
A növényi sejtek eukarióta sejtek, ami azt jelenti, hogy mind az összes sejtben megtalálható mind a négy szerkezet (DNS, egy sejtmembrán, citoplazma és riboszómák), valamint számos speciális organella van. A növényi sejteknek azonban - az állati és más eukarióta sejtektől eltérően - sejtfala van, mint a baktériumoknak, de különböző vegyszerek felhasználásával épülnek fel.
A növényi sejteknek is vannak sejtmagjaik, organelláik közé tartozik a mitokondrium, az endoplazmatikus retikulum, a Golgi testek, a citoszkeleton és a vakuolusok. De a növényi sejtek és más eukarióta sejtek között az a kritikus különbség, amelyet a növényi sejtek tartalmaznak kloroplasztok.
A kloroplaszt
A növényi sejteken belül vannak az organellumok, az úgynevezett kloroplasztok. A mitokondriumhoz hasonlóan ezekről feltételezhetően viszonylag korán beépültek az eukarióta organizmusokba eukarióták, kloroplasztivá válni szándékozott entitással, amely akkor szabadon álló fotoszintézist végző prokarióta.
A kloroplasztot, mint minden organellumot, kettős plazmamembrán veszi körül. Ezen a membránon található a sztróma, amely hasonlóan működik, mint a kloroplasztok citoplazmája. A kloroplasztikán belül vannak a tilakoidnak nevezett testek is, amelyek érmék halomaként vannak elrendezve és saját membránnal vannak bezárva.
A klorofill a fotoszintézis "pigmentjének" számít, de a klorofillnak többféle típusa létezik, és a klorofillon kívül más pigment is részt vesz a fotoszintézisben. A fotoszintézis során alkalmazott fő pigment az A klorofill. Néhány nem klorofill pigment, amely részt vesz a fotoszintetikus folyamatokban, vörös, barna vagy kék színű.
A fényreakciók
A fotoszintézis fényreakciói fényenergiával kiszorítják a hidrogénatomokat a vízmolekulákból, ezekkel a hidrogénatomokkal, amelyeket a a bejövő fény által végül felszabadított elektronok áramlása, amelyet a NADPH és az ATP szintetizálására használnak, amelyekre szükség van a későbbi sötétben reakciókat.
A fényreakciók a tilakoid membránon, a kloroplaszt belsejében, a növényi sejt belsejében fordulnak elő. Akkor indulnak el, amikor a fény beüt egy úgynevezett fehérje-klorofill komplexet photosystem II (PSII). Ez az enzim az, amely felszabadítja a hidrogénatomokat a vízmolekulákból. Ezután a vízben lévő oxigén szabad, és a folyamat során felszabadult elektronok a plasztokinol nevű molekulához kapcsolódnak, plasztokinonná alakítva. Ez a molekula viszont az elektronokat egy citokróm b6f nevű enzim komplexbe továbbítja. Ez a ctyb6f elveszi az elektronokat a plastoquinon-ból és a plasztocianinhoz mozgatja őket.
Ezen a ponton, I. fotorendszer (PSI) munkába áll. Ez az enzim elveszi az elektronokat a plasztocianinból, és egy vasat tartalmazó vegyülethez, ferredoxinhoz kapcsolja őket. Végül egy ferredoxin – NADP nevű enzim+reduktáz (FNR) segítségével NADPH-t állít elő a NADP-ből+. Nem szükséges megjegyeznie ezeket a vegyületeket, de fontos, hogy megértse az érintett reakciók lépcsőzetes, "átadási" jellegét.
Ezenkívül, amikor a PSII hidrogént szabadít fel a vízből a fenti reakciók elősegítése érdekében, a hidrogén egy része hajlamos arra, hogy a tilakoidot elhagyja a sztrómához, annak koncentrációs gradiensén belül. A tilakoid membrán kihasználja ezt a természetes kiáramlást, amikor egy ATP-szintáz-szivattyút táplál a membránban, amely foszfátmolekulákat köt az ADP-hez (adenozin-difoszfát) ATP előállításához.
A sötét reakciók
A fotoszintézis sötét reakcióit azért nevezik el, mert nem támaszkodnak a fényre. Előfordulhatnak azonban fény jelenlétében, így egy pontosabb, ha nehézkesebb név:fénytől független reakciók"A további tisztázás érdekében a sötét reakciókat együttesen más néven" Kálvin-ciklus.
Képzelje el, hogy amikor belélegzi a levegőt a tüdejébe, abban a levegőben lévő szén-dioxid bejuthat a belsejébe sejteket, amelyek felhasználásával ugyanazt az anyagot állíthatnák elő, amely abból adódik, hogy a tested lebontja az ételeket eszik. Valójában emiatt soha nem kellene enni. Ez lényegében egy üzem élete, amely CO-t használ2 a környezetből gyűlik össze (ami nagyrészt más eukarióták anyagcsere-folyamatainak eredményeként jön létre) glükóz előállítására, amelyet aztán vagy saját szükségleteire tárol, vagy eléget.
Láttad már, hogy a fotoszintézis úgy kezdődik, hogy a hidrogénatomokat vízmentesre ütögeti, és az ezekből az atomokból származó energiát felhasználja NADPH és némi ATP előállítására. De a fotoszintézis másik inputjáról, a CO2-ról eddig nem esett szó. Most meglátja, miért szedték be először azt a NADPH-t és ATP-t.
Lépjen be a Rubisco-ba
A sötét reakciók első lépésében a CO2 egy öt szénatomos cukorszármazékhoz kapcsolódik, az úgynevezett ribulóz-1,5-biszfoszfáthoz. Ezt a reakciót a ribulóz-1,5-biszfoszfát-karboxiláz / oxigenáz enzim katalizálja, sokkal emlékezetesebben: Rubisco. Úgy gondolják, hogy ez az enzim a világon a leggyakoribb fehérje, tekintve, hogy minden fotoszintézis alatt álló növényben jelen van.
Ez a hat szénatomos köztitermék instabil, és három szénatomos molekulapárra oszlik, az úgynevezett foszfoglicerátot. Ezeket egy kináz enzim segítségével foszforilezzük, így 1,3-biszfoszfoglicerátot kapunk. Ezt a molekulát ezután glicerinaldehid-3-foszfáttá (G3P) alakítják, felszabadítva a foszfátmolekulákat és a könnyű reakciókból származó NAPDH-t fogyasztva.
Az ezekben a reakciókban létrehozott G3P ezután számos különböző útvonalra helyezhető, ennek eredményeként glükóz, aminosavak vagy lipidek képződésében, a növény sajátos igényeitől függően sejtek. A növények szintetizálják a glükóz polimerjeit is, amelyek az emberi étrendben keményítőt és rostot tartalmaznak.