Fermentų aktyvumas fotosintezėje

Fotosintezę galima nepažeisti kaip svarbiausią visos biologijos reakciją. Išnagrinėkite bet kokį maisto tinklą ar energijos srauto sistemą pasaulyje ir pamatysite, kad tai galiausiai priklauso nuo saulės energijos dėl medžiagų, palaikančių joje esančius organizmus. Gyvūnai pasikliauja tiek anglies pagrindu pagamintomis maistinėmis medžiagomis (angliavandeniais), tiek deguonimi, kurį generuoja fotosintezė, nes net gyvūnai kurie visą savo maistą gauna grobdami kitus gyvūnus, baigia valgyti organizmus, kurie patys gyvena daugiausia arba išimtinai augalų.

Taigi iš fotosintezės teka visi kiti gamtoje pastebimi energijos mainų procesai. Kaip ir glikolizė bei korinio kvėpavimo reakcijos, fotosintezė turi daugybę žingsnių, fermentų ir unikalių aspektų, į kuriuos reikia atsižvelgti, ir suprasti vaidmuo, kurį atlieka konkretūs fotosintezės katalizatoriai, t. y. šviesos ir dujų pavertimas maistu, yra labai svarbus norint įvaldyti pagrindinius biochemija.

Fotosintezė turėjo ką nors bendro su paskutinio jūsų suvalgyto maisto gamyba, kad ir kas tai būtų. Jei tai buvo augalinė, teiginys yra paprastas. Jei tai buvo mėsainis, mėsa beveik neabejotinai buvo gauta iš gyvūno, kuris pats beveik visiškai išsilaikė iš augalų. Žvelgiant kiek kitaip, jei saulė šiandien užsidarytų, nepriversdama pasaulio atvėsti, o tai sukeltų augalų trūkumą, pasaulio maisto atsargos greitai išnyks; augalai, kurie akivaizdžiai nėra plėšrūnai, yra pačiame bet kurios maisto grandinės dugne.

Fotosintezė tradiciškai skirstoma į šviesos ir tamsiąsias reakcijas. Abi fotosintezės reakcijos vaidina svarbų vaidmenį; pirmieji remiasi saulės spindulių ar kitos šviesos energijos buvimu, o pastarieji ne tik priklauso nuo šviesos reakcijos produktų, kad turėtų substratą, su kuriuo galėtų dirbti. Šviesos reakcijose gaminamos energijos molekulės, kurių augalui reikia angliavandeniams surinkti, o pati angliavandenių sintezė įvyksta tamsiose reakcijose. Tam tikru požiūriu tai panašu į aerobinį kvėpavimą, kai Krebso ciklas, nors ir nėra pagrindinis tiesioginis ATP šaltinis (adenozino trifosfatas, „energijos valiuta“) visų ląstelių), sukuria daug tarpinių molekulių, kurios skatina sukurti daug ATP sekančioje elektronų perdavimo grandinėje reakcijos.

Augalų kritinis elementas, leidžiantis jiems atlikti fotosintezę, yra chlorofilas, medžiaga, kuri randama unikaliose struktūrose, vadinama chloroplastai.

Gryna fotosintezės reakcija yra labai paprasta. Jame teigiama anglies dioksidas ir vanduo, esant šviesos energijai, proceso metu virsta gliukoze ir deguonimi.

6 CO₂ + šviesa + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Bendra reakcija yra šviesos reakcijos ir tamsios reakcijos fotosintezės:

Šviesos reakcijos:12 H₂O + šviesa → O₂ + 24 H⁺ + 24e⁻

Tamsios reakcijos:6CO₂ + 24 H⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

Trumpai tariant, šviesos reakcijos naudoja saulės šviesą, kad išgąsdintų elektronus, kuriuos augalas paskui gamina maistą (gliukozę). Kaip tai vyksta praktiškai, buvo gerai ištirta ir liudija milijardus metų trunkančią biologinę evoliuciją.

Gyvybės mokslus studijuojančių žmonių klaidinga nuomonė yra ta, kad fotosintezė yra atvirkštinis ląstelių kvėpavimas. Tai suprantama, turint omenyje, kad grynoji fotosintezės reakcija atrodo kaip ląstelių kvėpavimas - pradedant glikolizė ir baigiant aerobiniais procesais (Krebso ciklas ir elektronų perdavimo grandinė) mitochondrijose - vyksta tiksliai atvirkščiai.

Reakcijos, kurios fotosintezės metu anglies dvideginį paverčia gliukoze, yra gerokai kitokios nei tos, kurios naudojamos gliukozės kiekiui sumažinti iki anglies dioksido ląstelių kvėpavimo metu. Augalai, turėkite omenyje, taip pat naudoja ląstelių kvėpavimą. Chloroplastai nėra „augalų mitochondrijos“; augalai taip pat turi mitochondrijas.

Pagalvokite apie fotosintezę kaip apie tai, kas vyksta daugiausia dėl to, kad augalai neturi burnos, tačiau vis tiek pasikliauja deginant gliukozę kaip maistinę medžiagą, kad galėtų gaminti savo kurą. Jei augalai negali išgerti gliukozės, vis tiek reikia pastovaus jos tiekimo, tai jie turi padaryti, atrodytų, neįmanoma ir patys tai padaryti. Kaip augalai gamina maistą? Jie naudoja išorinę šviesą tam, kad varytų savo viduje esančias mažas elektrines. Tai, ar jie gali tai padaryti, labai priklauso nuo to, kaip jie iš tikrųjų yra struktūrizuoti.

Konstrukcijos, kurios turi daug paviršiaus ploto, palyginti su jų mase, yra gerai išdėstytos, kad užfiksuotų daug saulės spindulių. Štai kodėl augalai turi lapus. Tai, kad lapai dažniausiai būna žaliausia augalų dalis, yra chlorofilo tankio lapuose rezultatas, nes čia atliekamas fotosintezės darbas.

Lapai savo paviršiuje išsivystė poromis, vadinamomis stomatomis (vienaskaita: stoma). Šios angos yra priemonė, kuria lapas gali valdyti CO patekimą ir išėjimą₂, kuris reikalingas fotosintezei, ir O₂, kuris yra proceso atliekos. (Nėra prasmės galvoti apie deguonį kaip apie atliekas, tačiau šioje aplinkoje, griežtai kalbant, būtent tai ir yra.)

Šie stomatai taip pat padeda lapui reguliuoti vandens kiekį. Kai vandens gausu, lapai yra standesni ir „pripūstesni“, o stomatai linkę likti uždari. Ir atvirkščiai, kai trūksta vandens, stomatos atsidaro stengdamosi padėti lapui pamaitinti save.

Augalų ląstelės yra eukariotinės ląstelės, vadinasi, jos turi ir keturias visoms ląstelėms bendras struktūras (DNR, ląstelės membraną, citoplazmą ir ribosomas), ir daugybę specializuotų organelių. Augalų ląstelės, skirtingai nuo gyvūnų ir kitų eukariotų ląstelių, turi ląstelių sieneles, kaip ir bakterijos, tačiau sukonstruotos naudojant skirtingas chemines medžiagas.

Augalų ląstelės taip pat turi branduolius, o jų organeliai apima mitochondrijas, endoplazminį tinklą, Golgi kūnus, citoskeletą ir vakuoles. Tačiau kritinis skirtumas tarp augalų ląstelių ir kitų eukariotų ląstelių yra tas, kad yra augalų ląstelėse chloroplastai.

Augalo ląstelėse yra organeliai, vadinami chloroplastais. Manoma, kad jie, kaip ir mitochondrijos, buvo įtraukti į eukariotinius organizmus palyginti ankstyvoje evoliucijos stadijoje eukariotai, kai subjektas, turintis tapti chloroplastu, tada egzistuoja kaip laisvai veikianti fotosintezė prokariotas.

Chloroplastą, kaip ir visus organelius, supa dviguba plazmos membrana. Šioje membranoje yra stroma, kuri veikia panašiai kaip chloroplastų citoplazma. Chloroplastuose taip pat yra kūnai, vadinami tilakoidais, kurie yra išdėstyti kaip monetų krūvos ir uždaryti savo membrana.

Chlorofilas laikomas "fotosintezės pigmentu", tačiau yra keletas skirtingų chlorofilo tipų, o fotosintezėje taip pat dalyvauja ne pigmentas, o chlorofilas. Pagrindinis fotosintezėje naudojamas pigmentas yra A chlorofilas. Kai kurie fotosintezės procesuose dalyvaujantys nechlorofilo pigmentai yra raudonos, rudos arba mėlynos spalvos.

Šviesos fotosintezės reakcijos naudoja šviesos energiją, kad išstumtų vandenilio atomus iš vandens molekulių, o šie vandenilio atomai, elektronų srautas, kurį galiausiai išlaisvina įeinanti šviesa, naudojamas sintezuoti NADPH ir ATP, kurie reikalingi tolesniam tamsumui reakcijos.

Šviesos reakcijos vyksta ant tilakoidinės membranos, chloroplasto viduje, augalų ląstelės viduje. Jie pradeda veikti, kai šviesa smogia vadinamam baltymų-chlorofilo kompleksui II fotosistema (PSII). Šis fermentas iš vandens molekulių išskiria vandenilio atomus. Tuomet vandenyje esantis deguonis yra laisvas, o procese išsivadavę elektronai yra prijungiami prie molekulės, vadinamos plastochinoliu, paverčiant ją plastochinonu. Ši molekulė savo ruožtu perkelia elektronus į fermentų kompleksą, vadinamą citochromu b6f. Šis ctyb6f paima elektronus iš plastochinono ir perkelia juos į plastocianiną.

Šiuo atveju, I fotosistema (PSI) įsidarbina. Šis fermentas paima iš plastocianino elektronus ir prijungia juos prie geležies turinčio junginio, vadinamo ferredoksinu. Galiausiai fermentas, vadinamas ferredoksinu – NADP⁺reduktazės (FNR), kad iš NADP gautų NADPH⁺. Jums nereikia įsiminti visų šių junginių, tačiau svarbu suvokti kaskadinį, „perduodamą“ reakcijų pobūdį.

Be to, kai PSII išskiria vandenilį iš vandens, kad gautų aukščiau nurodytas reakcijas, kai kurie iš to vandenilio linkę palikti tilakoidą stromai, žemyn jo koncentracijos gradiento. Tilakoidinė membrana naudojasi šiuo natūraliu nutekėjimu, naudodama ją ATP sintazės siurbliui, kuris membranoje pritvirtina fosfato molekules prie ADP (adenozino difosfato), kad gautų ATP.

Tamsios fotosintezės reakcijos taip pavadintos, nes jos nepasikliauja šviesa. Tačiau jų gali atsirasti esant šviesai, todėl tikslesnis, jei sudėtingesnis pavadinimas yra "nuo šviesos nepriklausomos reakcijos"Norėdami išsiaiškinti reikalus toliau, tamsios reakcijos kartu dar vadinamos Kalvino ciklas.

Įsivaizduokite, kad įkvėpus oro į plaučius, tame ore esantis anglies dioksidas galėtų patekti į jūsų ląstelių, kurios vėliau panaudotų tą pačią medžiagą, kuri atsiranda dėl to, kad jūsų kūnas suskaido maistą valgyti. Tiesą sakant, dėl to niekada nereikėtų valgyti. Tai iš esmės yra augalų, naudojančių CO, gyvenimas₂ jis susirenka iš aplinkos (o tai dažniausiai vyksta dėl kitų eukariotų medžiagų apykaitos procesų) gaminti gliukozę, kurią vėliau arba kaupia, arba degina savo poreikiams.

Jūs jau matėte, kad fotosintezė prasideda vandenilio atomų išmušimu iš vandens ir iš tų atomų gaunama energija tam, kad gautų tam tikrą NADPH ir dalį ATP. Tačiau iki šiol nebuvo užsiminta apie kitą fotosintezės įnašą - CO2. Dabar pamatysite, kodėl visi tie NADPH ir ATP buvo surinkti.

Pirmajame tamsių reakcijų etape CO2 yra prijungtas prie penkių anglių turinčio cukraus darinio, vadinamo ribulozės 1,5-bisfosfatu. Šią reakciją katalizuoja fermentas ribulozės-1,5-bisfosfato karboksilazė / oksigenazė, dar labiau įsimenama kaip „Rubisco“. Manoma, kad šis fermentas yra gausiausias baltymas pasaulyje, atsižvelgiant į tai, kad jo yra visuose fotosintezės metu vykstančiuose augaluose.

Šis šešių anglies tarpinis produktas yra nestabilus ir suskaidomas į trijų anglies molekulių, vadinamų fosfogliceratu, porą. Tada jie fosforilinami kinazės fermentu, kad susidarytų 1,3-bisfosfogliceratas. Tada ši molekulė paverčiama gliceraldehido-3-fosfatu (G3P), išskiriant fosfato molekules ir sunaudojant šviesos reakcijose gautą NAPDH.

Šiose reakcijose sukurtas G3P gali būti paskirtas keliais skirtingais būdais susidarant gliukozei, aminorūgštims ar lipidams, atsižvelgiant į specifinius augalo poreikius ląstelių. Augalai taip pat sintetina gliukozės polimerus, kurie žmogaus racione sudaro krakmolą ir skaidulas.