Attività enzimatica nella fotosintesi

La fotosintesi può essere sicuramente etichettata come la reazione più importante di tutta la biologia. Esamina qualsiasi rete alimentare o sistema di flusso di energia nel mondo e scoprirai che alla fine si basa sull'energia del sole per le sostanze che sostengono gli organismi al suo interno. Gli animali si affidano sia ai nutrienti a base di carbonio (carboidrati) che all'ossigeno generato dalla fotosintesi, perché anche gli animali che ottengono tutto il loro nutrimento predando altri animali finiscono per mangiare organismi che a loro volta vivono prevalentemente o esclusivamente di impianti.

Dalla fotosintesi scaturiscono quindi tutti gli altri processi di scambio energetico osservati in natura. Come la glicolisi e le reazioni della respirazione cellulare, la fotosintesi ha uno stuolo di passaggi, enzimi e aspetti unici da considerare e comprendere il ruoli che i catalizzatori specifici della fotosintesi svolgono in ciò che equivale alla conversione di luce e gas in cibo è fondamentale per padroneggiare le basi biochimica.

La fotosintesi aveva qualcosa a che fare con la produzione dell'ultima cosa che hai mangiato, qualunque cosa fosse. Se fosse a base vegetale, l'affermazione è semplice. Se si trattava di un hamburger, quasi sicuramente la carne proveniva da un animale che a sua volta si nutriva quasi interamente di piante. In un'ottica un po' diversa, se il sole si spegnesse oggi senza che il mondo si raffreddi, il che porterebbe alla scarsità delle piante, l'approvvigionamento alimentare mondiale svanirebbe presto; le piante, che chiaramente non sono predatori, sono in fondo a qualsiasi catena alimentare.

La fotosintesi è tradizionalmente divisa in reazioni alla luce e reazioni al buio. Entrambe le reazioni nella fotosintesi svolgono ruoli critici; i primi si basano sulla presenza di luce solare o altra energia luminosa, mentre i secondi non dipendono che dai prodotti della reazione alla luce per avere un substrato con cui lavorare. Nelle reazioni alla luce vengono prodotte le molecole energetiche di cui la pianta ha bisogno per assemblare i carboidrati, mentre la sintesi dei carboidrati stessa avviene nelle reazioni al buio. Questo è simile in qualche modo alla respirazione aerobica, dove il ciclo di Krebs, sebbene non sia una delle principali fonti dirette di ATP (adenosina trifosfato, la "moneta energetica" di tutte le cellule), genera una grande quantità di molecole intermedie che guidano la creazione di una grande quantità di ATP nella successiva catena di trasporto degli elettroni reazioni.

L'elemento critico nelle piante che consente loro di condurre la fotosintesi è clorofilla, una sostanza che si trova in strutture uniche chiamate cloroplasti.

La reazione netta della fotosintesi è in realtà molto semplice. Si afferma che l'anidride carbonica e l'acqua, in presenza di energia luminosa, vengono convertite in glucosio e ossigeno durante il processo.

6 CO₂ + luce + 6 H₂O → C₆H₁₂oh₆ + 6 O₂

La reazione complessiva è una somma di reazioni alla luce e il reazioni oscure della fotosintesi:

Reazioni alla luce:12 ore₂O + luce → O₂ + 24 ore⁺ + 24e⁻

Reazioni oscure:6CO₂ + 24 ore⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂oh₆ + 6 H₂oh

In breve, le reazioni alla luce utilizzano la luce solare per scaricare gli elettroni che la pianta poi incanala nella produzione di cibo (glucosio). Il modo in cui ciò avviene in pratica è stato ben studiato ed è una testimonianza di miliardi di anni di evoluzione biologica.

Un malinteso comune tra le persone che studiano le scienze della vita è che la fotosintesi sia semplicemente la respirazione cellulare al contrario. Ciò è comprensibile, dato che la reazione netta della fotosintesi assomiglia alla respirazione cellulare, a partire da glicolisi e terminando con i processi aerobici (ciclo di Krebs e catena di trasporto degli elettroni) nei mitocondri – eseguiti proprio in inversione.

Tuttavia, le reazioni che trasformano l'anidride carbonica in glucosio nella fotosintesi sono molto diverse da quelle utilizzate per ridurre il glucosio in anidride carbonica nella respirazione cellulare. Le piante, tenete a mente, fanno anche uso della respirazione cellulare. I cloroplasti non sono "i mitocondri delle piante"; anche le piante hanno i mitocondri.

Pensa alla fotosintesi come a qualcosa che accade principalmente perché le piante non hanno la bocca, ma fanno ancora affidamento sulla combustione del glucosio come nutriente per produrre il proprio carburante. Se le piante non possono ingerire il glucosio ma ne richiedono comunque una fornitura costante, allora devono fare l'apparentemente impossibile e farlo da sole. In che modo le piante producono il cibo? Usano la luce esterna per guidare minuscole centrali elettriche al loro interno per farlo. Che possano farlo dipende in larga misura da come sono effettivamente strutturati.

Le strutture che hanno molta superficie in relazione alla loro massa sono ben posizionate per catturare gran parte della luce solare che passa sulla loro strada. Ecco perché le piante hanno le foglie. Il fatto che le foglie tendano ad essere la parte più verde delle piante è il risultato della densità della clorofilla nelle foglie, poiché è qui che si svolge il lavoro della fotosintesi.

Le foglie hanno pori evoluti nella loro superficie chiamati stomi (singolare: stomi). Queste aperture sono i mezzi attraverso i quali l'anta può controllare l'ingresso e l'uscita di CO₂, necessario per la fotosintesi, e O₂, che è un prodotto di scarto del processo. (È controintuitivo pensare all'ossigeno come rifiuto, ma in questo contesto, a rigor di termini, è proprio così.)

Questi stomi aiutano anche la foglia a regolare il suo contenuto d'acqua. Quando l'acqua è abbondante, le foglie sono più rigide e "gonfie" e gli stomi tendono a rimanere chiusi. Al contrario, quando l'acqua è scarsa, gli stomi si aprono nel tentativo di aiutare la foglia a nutrirsi.

Le cellule vegetali sono cellule eucariotiche, il che significa che hanno sia le quattro strutture comuni a tutte le cellule (DNA, una membrana cellulare, citoplasma e ribosomi) sia un numero di organelli specializzati. Le cellule vegetali, tuttavia, a differenza delle cellule animali e di altre cellule eucariotiche, hanno pareti cellulari, come fanno i batteri, ma costruite utilizzando sostanze chimiche diverse.

Le cellule vegetali hanno anche nuclei e i loro organelli includono i mitocondri, il reticolo endoplasmatico, i corpi di Golgi, un citoscheletro e i vacuoli. Ma la differenza fondamentale tra le cellule vegetali e le altre cellule eucariotiche è che le cellule vegetali contengono cloroplasti.

All'interno delle cellule vegetali ci sono organelli chiamati cloroplasti. Come i mitocondri, si ritiene che questi siano stati incorporati negli organismi eucarioti relativamente presto nell'evoluzione del eucarioti, con l'entità destinata a diventare un cloroplasto che allora esisteva come un organismo autonomo di fotosintesi procariota.

Il cloroplasto, come tutti gli organelli, è circondato da una doppia membrana plasmatica. All'interno di questa membrana c'è lo stroma, che funziona come il citoplasma dei cloroplasti. Anche all'interno dei cloroplasti ci sono corpi chiamati tilacoidi, che sono disposti come pile di monete e racchiusi da una membrana propria.

La clorofilla è considerata "il" pigmento della fotosintesi, ma ci sono diversi tipi di clorofilla e anche pigmenti diversi dalla clorofilla partecipano alla fotosintesi. Il pigmento principale utilizzato nella fotosintesi è la clorofilla A. Alcuni pigmenti non clorofilliani che prendono parte ai processi fotosintetici sono di colore rosso, marrone o blu.

Le reazioni alla luce della fotosintesi utilizzano l'energia luminosa per spostare gli atomi di idrogeno dalle molecole d'acqua, con questi atomi di idrogeno, alimentati dal flusso di elettroni infine liberato dalla luce in arrivo, utilizzato per sintetizzare NADPH e ATP, necessari per il successivo buio reazioni.

Le reazioni alla luce avvengono sulla membrana tilacoide, all'interno del cloroplasto, all'interno della cellula vegetale. Iniziano quando la luce colpisce un complesso proteina-clorofilla chiamato fotosistema II (PSII). Questo enzima è ciò che libera gli atomi di idrogeno dalle molecole d'acqua. L'ossigeno nell'acqua è quindi libero e gli elettroni liberati nel processo vengono attaccati a una molecola chiamata plastochinolo, trasformandola in plastochinone. Questa molecola a sua volta trasferisce gli elettroni a un complesso enzimatico chiamato citocromo b6f. Questo ctyb6f prende gli elettroni dal plastochinone e li sposta alla plastocianina.

A questo punto, fotosistema I (PSI) si mette al lavoro. Questo enzima prende gli elettroni dalla plastocianina e li attacca a un composto contenente ferro chiamato ferredossina. Infine, un enzima chiamato ferredoxin-NADP⁺reduttasi (FNR) per produrre NADPH da NADP⁺. Non è necessario memorizzare tutti questi composti, ma è importante avere un'idea della natura a cascata e di "trasferimento" delle reazioni coinvolte.

Inoltre, quando PSII sta liberando idrogeno dall'acqua per alimentare le reazioni di cui sopra, parte di quell'idrogeno tende a voler lasciare il tilacoide per lo stroma, lungo il suo gradiente di concentrazione. La membrana tilacoide sfrutta questo deflusso naturale utilizzandolo per alimentare una pompa di ATP sintasi nella membrana, che attacca le molecole di fosfato all'ADP (adenosina difosfato) per produrre ATP.

Le reazioni oscure della fotosintesi sono così chiamate perché non dipendono dalla luce. Tuttavia, possono verificarsi quando è presente la luce, quindi un nome più accurato, anche se più ingombrante, è "reazioni indipendenti dalla luce." Per chiarire ulteriormente le cose, le reazioni oscure sono conosciute insieme anche come ciclo di Calvin.

Immagina che, quando inspiri aria nei tuoi polmoni, l'anidride carbonica in quell'aria potrebbe farsi strada nel tuo cellule, che poi lo userebbero per produrre la stessa sostanza che risulta dal tuo corpo che scompone il cibo che ti serve mangiare. In effetti, per questo motivo, non dovresti mai mangiare. Questa è essenzialmente la vita di un impianto, che utilizza la CO₂ raccoglie dall'ambiente (che è presente in gran parte a causa dei processi metabolici di altri eucarioti) per produrre glucosio, che poi immagazzina o brucia per i propri bisogni.

Hai già visto che la fotosintesi inizia liberando gli atomi di idrogeno dall'acqua e usando l'energia di quegli atomi per produrre un po' di NADPH e un po' di ATP. Ma finora non è stato menzionato l'altro input nella fotosintesi, la CO2. Ora vedrai perché tutto quel NADPH e ATP è stato raccolto in primo luogo.

Nella prima fase delle reazioni oscure, la CO2 è attaccata a un derivato dello zucchero a cinque atomi di carbonio chiamato ribulosio 1,5-bisfosfato. Questa reazione è catalizzata dall'enzima ribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi/ossigenasi, molto più memorabilmente noto come Rubisco. Questo enzima è ritenuto la proteina più abbondante al mondo, dato che è presente in tutte le piante che subiscono la fotosintesi.

Questo intermedio a sei atomi di carbonio è instabile e si divide in una coppia di molecole a tre atomi di carbonio chiamate fosfoglicerato. Questi vengono poi fosforilati da un enzima chinasi per formare 1,3-bisfosfoglicerato. Questa molecola viene quindi convertita in gliceraldeide-3-fosfato (G3P), liberando molecole di fosfato e consumando NAPDH derivato dalle reazioni alla luce.

Il G3P creato in queste reazioni può quindi essere messo in una serie di percorsi diversi, risultando nella formazione di glucosio, amminoacidi o lipidi, a seconda delle specifiche esigenze della pianta cellule. Le piante sintetizzano anche polimeri del glucosio che nella dieta umana apportano amido e fibre.