Fermentu darbība fotosintēzē

Fotosintēzi var nosaukt par vissvarīgāko reakciju visā bioloģijā. Pārbaudiet jebkuru pārtikas produktu tīklu vai enerģijas plūsmas sistēmu pasaulē, un jūs atklāsiet, ka tas galu galā paļaujas uz saules enerģiju vielām, kas uztur tajā esošos organismus. Dzīvnieki paļaujas gan uz oglekļa bāzes uzturvielām (ogļhidrātiem), gan uz skābekli, ko rada fotosintēze, jo pat dzīvnieki kas saņem visu barību, laupot citus dzīvniekus, pārtrauc organismus, kuri paši dzīvo galvenokārt vai vienīgi augi.

Tādējādi no fotosintēzes plūst visi citi dabā novērotie enerģijas apmaiņas procesi. Tāpat kā glikolīze un šūnu elpošanas reakcijas, arī fotosintēze ir virkne soļu, enzīmu un unikālu aspektu, kas jāņem vērā un jāizprot fotosintēzes īpašo katalizatoru loma gaismas un gāzes pārvēršanā pārtikā ir izšķiroša, lai apgūtu pamata bioķīmija.

Fotosintēzei bija kaut kas saistīts ar pēdējās apēstās lietas ražošanu neatkarīgi no tā, kas tas bija. Ja tas bija augu izcelsmes, prasība ir vienkārša. Ja tas bija hamburgers, gaļa gandrīz noteikti nāca no dzīvnieka, kurš pats gandrīz pilnībā iztika ar augiem. Skatoties nedaudz savādāk, ja saule šodien sevi izslēgtu, neliekot pasaulei atdzist, kas novestu pie augu trūkuma, pasaules pārtikas krājumi drīz izzustu; augi, kas acīmredzami nav plēsēji, atrodas jebkuras barības ķēdes pašā apakšā.

Fotosintēze tradicionāli tiek sadalīta gaismas reakcijās un tumšās reakcijās. Abām fotosintēzes reakcijām ir kritiska loma; pirmie paļaujas uz saules gaismas vai citas gaismas enerģijas klātbūtni, bet otrie ir atkarīgi tikai no gaismas reakcijas produktiem, lai būtu substrāts, ar kuru strādāt. Gaismas reakcijās tiek veidotas enerģijas molekulas, kas augam vajadzīgas ogļhidrātu savākšanai, savukārt pati ogļhidrātu sintēze notiek tumšās reakcijās. Tas savā ziņā ir līdzīgs aerobai elpošanai, kur Krebsa cikls, kaut arī tas nav galvenais tiešais ATP avots (adenozīna trifosfāts, "enerģijas valūta") no visām šūnām), ģenerē daudz starpmolekulu, kas veicina daudzu ATP izveidošanos turpmākajā elektronu transporta ķēdē reakcijas.

Augu kritiskais elements, kas ļauj tiem veikt fotosintēzi, ir hlorofils, viela, kas atrodas unikālās struktūrās, ko sauc hloroplasts.

Fotosintēzes neto reakcija faktiski ir ļoti vienkārša. Tajā teikts oglekļa dioksīds un ūdens gaismas enerģijas klātbūtnē procesa laikā tiek pārveidoti par glikozi un skābekli.

6 CO₂ + gaisma + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Kopējā reakcija ir summa gaismas reakcijas un tumšas reakcijas fotosintēzes rezultāti:

Gaismas reakcijas:12 H₂O + gaisma → O₂ + 24 H⁺ + 24e⁻

Tumšas reakcijas:6CO₂ + 24 H⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

Īsāk sakot, gaismas reakcijas izmanto saules gaismu, lai nobiedētu elektronus, kurus augs pēc tam novirza pārtikas (glikozes) pagatavošanai. Kā tas notiek praksē, ir labi pētīts un liecina par miljardiem gadu ilgo bioloģisko evolūciju.

Cilvēku, kas studē dzīvības zinātnes, izplatīts nepareizs uzskats ir tāds, ka fotosintēze ir vienkārši šūnu elpošana otrādi. Tas ir saprotams, ņemot vērā, ka fotosintēzes neto reakcija izskatās tāpat kā šūnu elpošana - sākot ar glikolīzi un beidzot ar aerobajiem procesiem (Krebsa cikls un elektronu transporta ķēde) mitohondrijos - notiek tieši reverss.

Reakcijas, kas fotosintēzē pārveido oglekļa dioksīdu par glikozi, ir daudz atšķirīgas, nekā reakcijas, kas tiek izmantotas, lai šūnu elpošanā samazinātu glikozes daudzumu atpakaļ līdz oglekļa dioksīdam. Paturiet prātā, ka augi izmanto arī šūnu elpošanu. Hloroplasti nav "augu mitohondriji"; augiem ir arī mitohondriji.

Padomājiet par fotosintēzi kā par kaut ko tādu, kas notiek galvenokārt tāpēc, ka augiem nav mutes, taču viņi joprojām paļaujas uz glikozes kā barības vielas sadedzināšanu, lai izveidotu savu degvielu. Ja augi nevar uzņemt glikozi, tomēr tie joprojām ir nepieciešami pastāvīgi, tad viņiem tas ir jādara šķietami neiespējami un jāpadara tas pašiem. Kā augi ražo pārtiku? Viņi izmanto ārējo gaismu, lai darbinātu to iekšienē mazas spēkstacijas. Tas, ka viņi to var izdarīt, lielā mērā ir atkarīgs no tā, kā viņi faktiski tiek strukturēti.

Konstrukcijas, kurām ir daudz virsmas laukuma attiecībā pret to masu, ir labi novietotas, lai uztvertu daudz saules gaismas, kas iet garām. Tāpēc augiem ir lapas. Fakts, ka lapas mēdz būt augu zaļākā daļa, ir rezultāts hlorofila blīvumam lapās, jo tieši šeit tiek veikts fotosintēzes darbs.

Lapu virsmas ir attīstījušās porās, ko sauc par stomātiem (vienskaitlī: stoma). Šīs atveres ir līdzeklis, ar kura palīdzību lapa var kontrolēt CO iekļūšanu un izeju₂, kas nepieciešama fotosintēzei, un O₂, kas ir procesa atkritumi. (Nav prātīgi domāt par skābekli kā par atkritumiem, taču šajā situācijā tas ir stingri sakot.)

Šie stomāti arī palīdz lapai regulēt ūdens saturu. Kad ūdens ir daudz, lapas ir stingrākas un "piepumpētas", un stomāti ir tendēti palikt slēgti. Un otrādi - kad ūdens ir maz, stomāti atveras, cenšoties palīdzēt lapai baroties pašai.

Augu šūnas ir eikariotu šūnas, kas nozīmē, ka tām ir gan četras visām šūnām kopīgas struktūras (DNS, šūnu membrāna, citoplazma un ribosomas), gan arī virkne specializētu organoļu. Augu šūnām, atšķirībā no dzīvnieku un citām eikariotu šūnām, ir šūnu sienas, tāpat kā baktērijām, bet to konstrukcija tiek veikta, izmantojot dažādas ķīmiskas vielas.

Augu šūnās ir arī kodoli, un to organellos ietilpst mitohondriji, endoplazmatiskais tīklojums, Golgi ķermeņi, citoskelets un vakuolas. Bet kritiskā atšķirība starp augu šūnām un citām eikariotu šūnām ir tā, ka augu šūnas satur hloroplasts.

Augu šūnās ir organoīdi, ko sauc par hloroplastiem. Tāpat kā mitohondriji, tiek uzskatīts, ka tie ir iekļauti eikariotu organismos salīdzinoši agri eikarioti, ar vienību, kurai paredzēts kļūt par hloroplastu, kas pēc tam pastāv kā brīvi stāvoša fotosintēze prokariots.

Hloroplastu, tāpat kā visus organoīdus, ieskauj dubultā plazmas membrāna. Šajā membrānā atrodas stroma, kas darbojas līdzīgi hloroplastu citoplazmai. Hloroplastu iekšienē ir arī ķermeņi, kurus sauc par tilakoīdiem, kuri ir sakārtoti kā monētu kaudzes un ir noslēgti ar pašu membrānu.

Hlorofils tiek uzskatīts par "fotosintēzes pigmentu", taču ir vairāki dažādi hlorofila veidi, un arī fotosintēzē piedalās cits pigments, izņemot hlorofilu. Galvenais fotosintēzē izmantotais pigments ir A hlorofils. Daži nehlorofila pigmenti, kas piedalās fotosintēzes procesos, ir sarkanā, brūnā vai zilā krāsā.

Fotosintēzes gaismas reakcijas izmanto gaismas enerģiju, lai izspiestu ūdeņraža atomus no ūdens molekulām, ar šiem ūdeņraža atomiem, kurus darbina elektronu plūsma, ko galu galā atbrīvo ienākošā gaisma, ko izmanto, lai sintezētu NADPH un ATP, kas nepieciešami nākamajai tumsai reakcijas.

Gaismas reakcijas notiek uz tilakoīda membrānas, hloroplasta iekšpusē, augu šūnas iekšpusē. Viņi sāk darboties, kad gaisma skar olbaltumvielu-hlorofila kompleksu, ko sauc fotosistēma II (PSII). Šis ferments ir tas, kas atbrīvo ūdeņraža atomus no ūdens molekulām. Pēc tam ūdenī esošais skābeklis ir brīvs, un procesā atbrīvotie elektroni ir piestiprināti pie molekulas, ko sauc par plastoquinol, pārvēršot to par plastoquinon. Šī molekula savukārt elektronus pārnes fermentu kompleksā, ko sauc par citohromu b6f. Šis ctyb6f paņem elektronus no plastokinona un pārvieto tos uz plastocianīnu.

Šajā brīdī, I fotosistēma (PSI) nokļūst darbā. Šis ferments paņem elektronus no plastocianīna un piestiprina tos dzelzi saturošam savienojumam, ko sauc par ferredoksīnu. Visbeidzot, ferments, ko sauc par ferredoksīnu – NADP⁺reduktāzes (FNR), lai no NADP iegūtu NADPH⁺. Jums nav nepieciešams iegaumēt visus šos savienojumus, taču ir svarīgi sajust iesaistīto reakciju kaskādes, "nodošanas" raksturu.

Arī tad, kad PSII atbrīvo ūdeņradi no ūdens, lai darbinātu iepriekš minētās reakcijas, daži no šī ūdeņraža tiecas atstāt tilakoidu stromai, samazinot tā koncentrācijas gradientu. Tilakoidā membrāna izmanto šo dabisko aizplūšanu, izmantojot to, lai darbinātu membrānas ATP sintāzes sūkni, kas pievieno ADP (adenozīna difosfātu) fosfāta molekulas, lai iegūtu ATP.

Tumšās fotosintēzes reakcijas ir tik nosauktas, jo tās nepaļaujas uz gaismu. Tomēr tie var rasties, kad ir gaisma, tāpēc precīzāks, ja apgrūtinošāks nosaukums ir "no gaismas neatkarīgas reakcijas"Lai vēl vairāk noskaidrotu, tumšās reakcijas kopā tiek dēvētas arī par Kalvina cikls.

Iedomājieties, ka, ieelpojot gaisu plaušās, oglekļa dioksīds šajā gaisā varētu iekļūt jūsu ķermenī šūnas, kuras pēc tam to izmantotu, lai ražotu to pašu vielu, kas rodas no tā, ka ķermenis noārda pārtiku ēst. Patiesībā tāpēc jums nekad nevajadzētu ēst. Būtībā tā ir auga dzīve, kurā tiek izmantots CO₂ tas pulcējas no apkārtējās vides (kas lielā mērā notiek citu eikariotu vielmaiņas procesu rezultātā), lai iegūtu glikozi, kuru pēc tam vai nu uzglabā, vai sadedzina savām vajadzībām.

Jūs jau redzējāt, ka fotosintēze sākas ar ūdeņraža atomu atbrīvošanu no ūdens un šo atomu enerģijas izmantošanu, lai izveidotu dažus NADPH un dažus ATP. Bet līdz šim nav minēts cits ieguldījums fotosintēzē, CO2. Tagad jūs redzēsiet, kāpēc visi šie NADPH un ATP tika novākti.

Tumšo reakciju pirmajā posmā CO2 tiek piesaistīts piecu oglekļa cukura atvasinājumam, ko sauc par ribulozes 1,5-bifosfātu. Šo reakciju katalizē enzīms ribulozes-1,5-bifosfāta karboksilāze / oksigenāze, daudz neaizmirstamāk pazīstams kā Rubisco. Tiek uzskatīts, ka šis ferments ir visplašākais olbaltumvielu daudzums pasaulē, ņemot vērā, ka tā ir visos augos, kuri tiek pakļauti fotosintēzei.

Šis sešu oglekļa starpprodukts ir nestabils un sadalās trīs oglekļa molekulu pārī, ko sauc par fosfoglicerātu. Pēc tam tos fosforilē ar kināzes enzīmu, veidojot 1,3-bisfosfoglicerātu. Pēc tam šī molekula tiek pārveidota par gliceraldehīda-3-fosfātu (G3P), atbrīvojot fosfāta molekulas un patērējot gaismas reakcijās iegūto NAPDH.

Pēc tam šajās reakcijās izveidoto G3P ​​var ievietot dažādos veidos, kā rezultātā glikozes, aminoskābju vai lipīdu veidošanā atkarībā no auga īpašajām vajadzībām šūnas. Augi sintezē arī glikozes polimērus, kas cilvēka uzturā veicina cieti un šķiedrvielas.