ფოტოსინთეზს შეიძლება ეწოდოს ყველაზე მნიშვნელოვანი რეაქცია ბიოლოგიაში. შეისწავლეთ ნებისმიერი საკვები ქსელი ან ენერგიის ნაკადის სისტემა მსოფლიოში და ნახავთ, რომ საბოლოოდ იგი ეყრდნობა მზის ენერგიას იმ ნივთიერებებისთვის, რომლებიც მასში ორგანიზმებს ინარჩუნებენ. ცხოველები ეყრდნობიან ნახშირბადზე დაფუძნებულ საკვებ ნივთიერებებს (ნახშირწყლები) და ჟანგბადს, რომელსაც წარმოქმნის ფოტოსინთეზი, რადგან ცხოველებიც კი რომ მიიღონ მთელი თავიანთი საზრდო სხვა ცხოველების მტაცებლობით, ჭამენ ორგანიზმებს, რომლებიც ძირითადად ან მხოლოდ მათზე ცხოვრობენ მცენარეები.
ამრიგად, ფოტოსინთეზიდან გამომდინარეობს ბუნებაში დაფიქსირებული ენერგიის გაცვლის ყველა სხვა პროცესი. გლიკოლიზისა და ფიჭური სუნთქვის რეაქციების მსგავსად, ფოტოსინთეზს აქვს განსახილველი ნაბიჯები, ფერმენტები და უნიკალური ასპექტები და მათი გაგება როლები, რომლებსაც ასრულებენ ფოტოსინთეზის სპეციფიკური კატალიზატორები, რაც სინათლისა და გაზის საკვებად გადაქცევას წარმოადგენს, მნიშვნელოვანია ძირითადი ბიოქიმია.
რა არის ფოტოსინთეზი?
ფოტოსინთეზს უკავშირდებოდა ბოლო ჭამის მიღებას, რაც არ უნდა ყოფილიყო. თუ ეს მცენარეული იყო, პრეტენზია მარტივია. თუ ეს ჰამბურგერი იყო, ხორცი თითქმის აუცილებლად მოვიდა ცხოველისაგან, რომელიც თავად თითქმის მთლიანად მცენარეებით ცხოვრობდა. გარკვეულწილად სხვანაირად შეხედავდნენ: თუ მზე დღეს თავს იკავებდა, სამყაროს გაგრილების გარეშე, რაც მცენარეთა მწირი გახდებოდა, მსოფლიოში საკვების მიწოდება მალე გაქრებოდა; მცენარეები, რომლებიც აშკარად არ არიან მტაცებლები, ნებისმიერი კვების ჯაჭვის ბოლოში არიან.
ფოტოსინთეზი ტრადიციულად იყოფა სინათლის რეაქციებად და ბნელ რეაქციებად. ორივე რეაქცია ფოტოსინთეზში მნიშვნელოვან როლს ასრულებს; პირველი ეყრდნობიან მზის ან სხვა სინათლის ენერგიის არსებობას, ხოლო მეორენი არ არიან დამოკიდებული სინათლის რეაქციის პროდუქტებზე, რომელთანაც სუბსტრატი იმუშავებს. სინათლის რეაქციებში მზადდება ენერგიის მოლეკულები, რაც მცენარეს სჭირდება ნახშირწყლების ასაწყობად, ხოლო ნახშირწყლების სინთეზი თავისთავად ხდება ბნელ რეაქციებზე. ეს გარკვეულწილად მსგავსია აერობული სუნთქვისას, სადაც კრებსის ციკლი, თუმცა არ არის ATP– ის ძირითადი წყარო (ადენოზინტრიფოსფატი, „ენერგეტიკული ვალუტა“) ყველა უჯრედისგან), წარმოშობს შუალედური მოლეკულების დიდ ნაწილს, რომლებიც განაპირობებენ ATP– ის დიდი ნაწილის შექმნას შემდგომში ელექტრონების ტრანსპორტირების ჯაჭვში რეაქციები
მცენარეებში კრიტიკული ელემენტია, რომელიც მათ ფოტოსინთეზის ჩატარების საშუალებას აძლევს ქლოროფილი, ნივთიერება, რომელიც გვხვდება უნიკალურ სტრუქტურებში, ე.წ. ქლოროპლასტები.
ფოტოსინთეზის განტოლება
ფოტოსინთეზის წმინდა რეაქცია სინამდვილეში ძალიან მარტივია. მასში ნათქვამია ნახშირორჟანგი და წყალი, მსუბუქი ენერგიის თანდასწრებით, პროცესის განმავლობაში გარდაიქმნება გლუკოზად და ჟანგბადში.
6 CO2 + მსუბუქი + 6 სთ2O → C6ჰ12ო6 + 6 ო2
საერთო რეაქცია არის ჯამი მსუბუქი რეაქციები და ბნელი რეაქციები ფოტოსინთეზის:
მსუბუქი რეაქციები:12 სთ2O + მსუბუქი → O2 + 24 სთ+ + 24 ე−
ბნელი რეაქციები:6CO2 + 24 სთ+ + 24 ე− გ6ჰ12ო6 + 6 სთ2ო
მოკლედ, სინათლის რეაქციები იყენებენ მზის სხივებს ელექტრონების შესაშინებლად, რომლებსაც მცენარე შემდეგ მიჰყავს საკვების (გლუკოზა) წარმოებაში. როგორ ხდება ეს პრაქტიკაში, კარგად არის შესწავლილი და მილიარდობით წლის ბიოლოგიური ევოლუციის დასტურია.
ფოტოსინთეზი vs. უჯრედული სუნთქვა
ცხოვრებისეული მეცნიერებების შემსწავლელ ადამიანებში გავრცელებული მცდარი შეხედულებაა ის, რომ ფოტოსინთეზი უბრალოდ უკუგანვითარებადია უჯრედული სუნთქვით. ეს გასაგებია, იმის გათვალისწინებით, რომ ფოტოსინთეზის წმინდა რეაქცია ჰგავს უჯრედულ სუნთქვას - დაწყებული იქიდან გლიკოლიზი და დამთავრებული აერობული პროცესებით (კრებსის ციკლი და ელექტრონების ტრანსპორტირების ჯაჭვი) მიტოქონდრიებში - ზუსტად გადის უკუ
რეაქციები, რომლებიც ნახშირორჟანგს გარდაქმნის გლუკოზად, ფოტოსინთეზში ბევრად განსხვავებულია, ვიდრე რეაქციები, რომლებიც გამოიყენება გლუკოზის შემცირებაზე ნახშირორჟანგის შემცირებაში უჯრედულ სუნთქვაში. მცენარეები, გახსოვდეთ, ასევე იყენებენ უჯრედულ სუნთქვას. ქლოროპლასტები არ არის "მცენარეების მიტოქონდრია"; მცენარეებსაც აქვთ მიტოქონდრია.
იფიქრეთ ფოტოსინთეზზე, როგორც რამე ხდება ძირითადად იმიტომ, რომ მცენარეებს პირი არ აქვთ, მაგრამ მაინც ეყრდნობიან გლუკოზის დაწვას, როგორც საკვებს, რომ გამოიმუშავონ საკუთარი საწვავი. თუ მცენარეებს არ შეუძლიათ გლუკოზის მიღება ჯერ კიდევ სჭირდებათ მისი სტაბილური მიწოდება, მაშინ მათ ერთი შეხედვით შეუძლებელი უნდა გააკეთონ და თავად გააკეთონ ეს. როგორ ამზადებენ მცენარეები საკვებს? ისინი ამისათვის იყენებენ გარე შუქს პატარა ელექტროსადგურების დასაძრავად. რომ მათ ამის გაკეთება შეუძლიათ, დიდწილად დამოკიდებულია იმაზე, თუ როგორ ხდება მათი სტრუქტურა.
მცენარეთა სტრუქტურა
სტრუქტურები, რომლებსაც აქვთ დიდი ფართობი მათ მასასთან მიმართებაში, კარგად არიან განლაგებულნი, რომ აიღონ მზის სხივების დიდი ნაწილი, რომლებიც მათ გზას გაუვლის. ამიტომ მცენარეებს აქვთ ფოთლები. ის ფაქტი, რომ ფოთლები მცენარეების ყველაზე მწვანე ნაწილია, ფოთლებში ქლოროფილის სიმკვრივის შედეგია, რადგან სწორედ აქ ხდება ფოტოსინთეზის მუშაობა.
ფოთლებს აქვთ განვითარებული ფორები მათ ზედაპირებზე, რომელსაც ეწოდება სტომატები (სინგულარული: სტომა). ეს დიაფრაგმა არის საშუალება, რომლის საშუალებითაც ფოთოლს შეუძლია გააკონტროლოს CO- ს შემოსვლა და გამოსვლა2, რომელიც საჭიროა ფოტოსინთეზისთვის და O2, რაც პროცესის ნარჩენების პროდუქტია. (გაუსაძლისია იფიქროთ ჟანგბადზე, როგორც ნარჩენად, მაგრამ ამ გარემოში, მკაცრად რომ ვთქვათ, ეს არის ის, რაც არის).
ეს სტომატები ასევე ეხმარება ფოთოლს წყლის რეგულირებაში. როდესაც წყალი უხვადაა, ფოთლები უფრო ხისტი და "გაბერილია", ხოლო კუჭები დახურული აქვთ. და პირიქით, როდესაც წყალი მწირია, იღლიები იხსნება, რომ ფოთოლი თავის კვებაში დაეხმაროს.
მცენარეთა უჯრედის სტრუქტურა
მცენარეული უჯრედები არის ეუკარიოტული უჯრედები, რაც ნიშნავს, რომ მათ აქვთ ოთხივე საერთო სტრუქტურა ყველა უჯრედში (დნმ, უჯრედის მემბრანა, ციტოპლაზმა და რიბოსომები) და მრავალი სპეციალიზებული ორგანელი. მცენარეული უჯრედები, ცხოველური და სხვა ეუკარიოტული უჯრედებისგან განსხვავებით, აქვთ უჯრედის კედლები, ისევე როგორც ბაქტერიები, მაგრამ აგებულია სხვადასხვა ქიმიკატების გამოყენებით.
მცენარეულ უჯრედებს ასევე აქვთ ბირთვები და მათ ორგანელებში შედის მიტოქონდრია, ენდოპლაზმური ბადე, გოლჯის სხეულები, ციტოსკლეტი და ვაკუოლები. მაგრამ მცენარის უჯრედებსა და სხვა ეუკარიოტულ უჯრედებს შორის კრიტიკული განსხვავება იმაშია, რომ მცენარეული უჯრედები შეიცავს ქლოროპლასტები.
ქლოროპლასტი
მცენარეთა უჯრედებში არის ორგანელი, რომელსაც ქლოროპლასტი ეწოდება. მიტოქონდრიების მსგავსად, ითვლება, რომ ესენი ეუკარიოტულ ორგანიზმებში შეიტანეს ევოლუციის შედარებით ადრეულ პერიოდში ეუკარიოტები, რომლის სუბიექტიც ქლოროპლასტი უნდა გახდეს, შემდეგ კი არსებობს, როგორც დამოუკიდებელი ფოტოსინთეზის შემსრულებელი პროკარიოტი.
ქლოროპლასტი, ისევე როგორც ყველა ორგანელი, გარშემორტყმულია ორმაგი პლაზმური მემბრანით. ამ მემბრანის შიგნით არის სტრომა, რომელიც ქლოროპლასტების ციტოპლაზმის მსგავსი ფუნქციონირებს. ასევე ქლოროპლასტებში არის სხეულები, რომლებსაც თილაკოიდი ეწოდება, რომლებიც განლაგებულია როგორც მონეტების სტეკები და თან ერთვის საკუთარი მემბრანა.
ქლოროფილი ითვლება ფოტოსინთეზის "" პიგმენტად, მაგრამ არსებობს ქლოროფილის რამდენიმე სხვადასხვა სახეობა და ფოტოსინთეზში ქლოროფილის გარდა სხვა პიგმენტიც მონაწილეობს. ფოტოსინთეზის დროს გამოყენებული ძირითადი პიგმენტია A ქლოროფილი. ზოგიერთი არაქლოროფილი პიგმენტი, რომელიც მონაწილეობს ფოტოსინთეზულ პროცესებში, არის წითელი, ყავისფერი ან ლურჯი ფერის.
მსუბუქი რეაქციები
ფოტოსინთეზის მსუბუქი რეაქციები იყენებენ სინათლის ენერგიას წყალბადის ატომების წყლის მოლეკულების გადასაადგილებლად, ამ წყალბადის ატომებით, ელექტრონების ნაკადი საბოლოოდ განთავისუფლებულია შემომავალი სინათლით, გამოიყენება NADPH და ATP სინთეზისთვის, რომლებიც საჭიროა შემდგომი ბნელი რეაქციები
სინათლის რეაქციები ხდება თილაკოიდულ მემბრანაზე, ქლოროპლასტში, მცენარის უჯრედში. ისინი იწყებენ მუშაობას, როდესაც სინათლე ხვდება პროტეინ-ქლოროფილურ კომპლექსს, რომელსაც ეწოდება ფოტოსისტემა II (PSII). ეს ფერმენტი წყვეტს წყალბადის ატომებს წყლის მოლეკულებისგან. შემდეგ წყალში ჟანგბადი თავისუფალია და პროცესში გათავისუფლებული ელექტრონები ერთვის მოლეკულას, რომელსაც ეწოდება პლასტოკინოლი და აქცევს მას პლასტოკინონად. ეს მოლეკულა ელექტრონებს გადასცემს ფერმენტების კომპლექსს, რომელსაც ციტოქრომი b6f ეწოდება. ეს ctyb6f იღებს ელექტრონებს პლასტოკინონიდან და გადააქვს პლასტოციანინში.
Ამ ეტაპზე, ფოტოსისტემა I (PSI) იღებს სამსახურს. ეს ფერმენტი ელექტრონებს იღებს პლასტოციანინიდან და ანიჭებს მათ რკინის შემცველ ნაერთს, რომელსაც უწოდებენ ფერედოქსინს. დაბოლოს, ფერმენტი, სახელწოდებით ფერედოქსინი – NADP+რედუქტაზა (FNR) NADPH– ის მისაღებად NADP– დან+. თქვენ არ გჭირდებათ ყველა ამ ნაერთის დამახსოვრება, მაგრამ მნიშვნელოვანია გქონდეთ კასკადური, ”ჩაბარების” ხასიათის შეგრძნება.
ასევე, როდესაც PSII ათავისუფლებს წყალბადს წყლისგან ზემოთ მოყვანილი რეაქციების ასამაღლებლად, ამ წყალბადის ნაწილს სურს თილაკოიდის დატოვება სტრომისთვის, მისი კონცენტრაციის გრადიენტიდან ქვემოთ. თილაკოიდული მემბრანა სარგებლობს ამ ბუნებრივი გადინებით, რომლითაც იგი აძლიერებს ATP სინთეზურ ტუმბოს გარსში, რომელიც ფოსფატის მოლეკულებს ანიჭებს ADP- ს (ადენოზინის დიფოსფატი) ATP წარმოებისთვის.
ბნელი რეაქციები
ფოტოსინთეზის ბნელ რეაქციებს ასე ასახელებენ, რადგან ისინი სინათლეს არ ეყრდნობიან. ამასთან, ისინი შეიძლება წარმოიშვას სინათლის არსებობის დროს, ასე რომ, უფრო ზუსტი, თუ უფრო რთული, სახელი არის "სინათლისგან დამოუკიდებელი რეაქციები"საკითხის შემდგომი გასარკვევად, ბნელი რეაქციები ერთად ასევე ცნობილია როგორც კალვინის ციკლი.
წარმოიდგინეთ, რომ ფილტვებში ჰაერის ჩასუნთქვისას ამ ნახშირბადის დიოქსიდმა შეიძლება შეაღწიოს თქვენს ფილტვებში უჯრედები, რომლებიც შემდეგ გამოიყენებენ მას იგივე ნივთიერების შესაქმნელად, რაც თქვენი სხეულის საკვების დაშლის შედეგად ხდება ჭამა სინამდვილეში, ამის გამო თქვენ საერთოდ აღარ მოგიწევთ ჭამა. ეს არსებითად არის მცენარის სიცოცხლე, რომელიც იყენებს CO2 იგი იკრიბება გარემოდან (რაც მეტწილად სხვა ეუკარიოტების მეტაბოლური პროცესების შედეგად ხდება) გლუკოზას წარმოქმნის, რომელსაც შემდეგ ან ინახავს ან წვავს საკუთარი საჭიროებებისათვის.
თქვენ უკვე ნახეთ, რომ ფოტოსინთეზი იწყება წყლისგან თავისუფალი წყალბადის ატომების დარტყმით და ამ ატომების ენერგიის გამოყენებით ზოგიერთ NADPH და ზოგიერთ ATP წარმოებას. მაგრამ ჯერჯერობით ნახსენები არ არის ფოტოსინთეზის სხვა ნახშირბადის, CO2. ახლა ნახავთ, რატომ მოიპოვა პირველ რიგში NADPH და ATP.
შეიტანეთ Rubisco
ბნელი რეაქციების პირველ ეტაპზე CO2 ერთვის ხუთ ნახშირბადოვან შაქრის წარმოებულს, რომელსაც ეწოდება რიბულოზა 1,5-ბისფოსფატი. ამ რეაქციას კატალიზირებს ფერმენტი რიბულოზა-1,5-ბისფოსფატი კარბოქსილაზა / ოქსიგენაზა, რომელიც ბევრად უფრო კარგად არის ცნობილი რუბიკოს. ითვლება, რომ ეს ფერმენტი ყველაზე უხვად ცილაა მსოფლიოში, იმის გათვალისწინებით, რომ ის ყველა მცენარეშია, რომლებიც გადიან ფოტოსინთეზს.
ეს ექვს ნახშირბადის შუალედური არასტაბილურია და იყოფა სამ ნახშირბადის მოლეკულების წყვილად, რომლებსაც ფოსფოგლიცერატი ეწოდება. შემდეგ ისინი ფოსფორილირდება კინაზას ფერმენტის მიერ და ქმნის 1,3-ბისფოსფოგლიცერატს. შემდეგ ეს მოლეკულა გარდაიქმნება გლიცერალდეჰიდ-3-ფოსფატად (G3P), ათავისუფლებს ფოსფატის მოლეკულებს და ხარჯავს სინათლის რეაქციებით მიღებულ NAPDH- ს.
ამ რეაქციებში შექმნილი G3P შეიძლება შემდეგში ჩასვათ სხვადასხვა გზას, რის შედეგადაც გლუკოზის, ამინომჟავების ან ლიპიდების წარმოქმნაში, რაც დამოკიდებულია მცენარის სპეციფიკურ საჭიროებებზე უჯრედები. მცენარეები ასევე სინთეზირებენ გლუკოზის პოლიმერებს, რომლებიც ადამიანის დიეტაში ხელს უწყობენ სახამებელს და ბოჭკოს.