Enzymactiviteit bij fotosynthese

Fotosynthese kan met recht de belangrijkste reactie in de hele biologie worden genoemd. Onderzoek elk voedselweb of energiestroomsysteem in de wereld en je zult zien dat het uiteindelijk afhankelijk is van energie van de zon voor de stoffen die de organismen daarin ondersteunen. Dieren zijn afhankelijk van zowel de op koolstof gebaseerde voedingsstoffen (koolhydraten) als de zuurstof die fotosynthese genereert, omdat zelfs dieren die al hun voedsel krijgen door op andere dieren te jagen, eindigen met het eten van organismen die er zelf voornamelijk of uitsluitend van leven planten.

Van fotosynthese vloeien dus alle andere processen van energie-uitwisseling die in de natuur worden waargenomen. Net als glycolyse en de reacties van cellulaire ademhaling, heeft fotosynthese een hele reeks stappen, enzymen en unieke aspecten om te overwegen, en het begrijpen van de rollen die de specifieke katalysatoren van fotosynthese spelen in wat neerkomt op de omzetting van licht en gas in voedsel is van cruciaal belang voor het beheersen van elementaire biochemie.

Fotosynthese had iets te maken met de productie van het laatste wat je at, wat dat ook was. Als het plantaardig was, is de claim eenvoudig. Als het een hamburger was, was het vlees vrijwel zeker afkomstig van een dier dat zelf bijna volledig van planten leefde. Iets anders bekeken, als de zon zich vandaag zou afsluiten zonder de wereld af te laten koelen, wat zou leiden tot schaarste aan planten, zou de voedselvoorziening van de wereld snel verdwijnen; planten, die duidelijk geen roofdieren zijn, staan ​​helemaal onderaan elke voedselketen.

Fotosynthese wordt traditioneel verdeeld in de lichtreacties en de donkerreacties. Beide reacties bij fotosynthese spelen een cruciale rol; de eerstgenoemde zijn afhankelijk van de aanwezigheid van zonlicht of andere lichtenergie, terwijl de laatstgenoemde alleen afhankelijk zijn van de producten van de lichtreactie om een ​​substraat te hebben om mee te werken. Bij de lichtreacties worden de energiemoleculen gemaakt die de plant nodig heeft om koolhydraten te assembleren, terwijl de koolhydraatsynthese zelf de donkere reacties plaatsvindt. Dit is in sommige opzichten vergelijkbaar met aerobe ademhaling, waarbij de Krebs-cyclus, hoewel niet een belangrijke directe bron van ATP (adenosinetrifosfaat, de "energievaluta" van alle cellen), genereert veel intermediaire moleculen die de aanmaak van veel ATP in de daaropvolgende elektronentransportketen stimuleren reacties.

Het cruciale element in planten waarmee ze fotosynthese kunnen uitvoeren, is: chlorofyl, een stof die wordt aangetroffen in unieke structuren genaamd chloroplasten.

De netto reactie van fotosynthese is eigenlijk heel eenvoudig. Het zegt dat kooldioxide en water, in aanwezigheid van lichtenergie, worden tijdens het proces omgezet in glucose en zuurstof.

6 CO₂ + licht + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

De totale reactie is een som van de lichte reacties en de donkere reacties van fotosynthese:

Lichte reacties:12 H₂O + licht → O₂ + 24 uur⁺ + 24e⁻

Donkere reacties:6CO₂ + 24 uur⁺ + 24 euro⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

Kortom, de lichtreacties gebruiken zonlicht om elektronen af ​​te schrikken die de plant vervolgens kanaliseert om voedsel (glucose) te maken. Hoe dit in de praktijk gebeurt, is goed bestudeerd en getuigt van miljarden jaren biologische evolutie.

Een veel voorkomende misvatting onder mensen die de biowetenschappen bestuderen, is dat fotosynthese eenvoudigweg omgekeerde cellulaire ademhaling is. Dit is begrijpelijk, aangezien de nettoreactie van fotosynthese precies lijkt op cellulaire ademhaling - te beginnen met glycolyse en eindigend met de aerobe processen (Krebs-cyclus en elektronentransportketen) in mitochondriën - lopen precies in omgekeerde.

De reacties die koolstofdioxide omzetten in glucose in fotosynthese zijn echter heel anders dan die welke worden gebruikt om glucose terug te reduceren tot koolstofdioxide in cellulaire ademhaling. Houd er rekening mee dat planten ook gebruik maken van cellulaire ademhaling. Chloroplasten zijn niet "de mitochondriën van planten"; planten hebben ook mitochondriën.

Zie fotosynthese als iets dat voornamelijk gebeurt omdat planten geen mond hebben, maar toch afhankelijk zijn van het verbranden van glucose als voedingsstof om hun eigen brandstof te maken. Als planten geen glucose kunnen opnemen en toch een constante aanvoer nodig hebben, dan moeten ze het schijnbaar onmogelijke doen en het zelf maken. Hoe maken planten voedsel? Ze gebruiken extern licht om kleine energiecentrales in hen aan te drijven om dit te doen. Dat ze dat kunnen, hangt voor een groot deel af van hoe ze feitelijk zijn gestructureerd.

Structuren die veel oppervlakte hebben in verhouding tot hun massa zijn goed gepositioneerd om een ​​groot deel van het zonlicht op te vangen. Daarom hebben planten bladeren. Het feit dat bladeren meestal het groenste deel van planten zijn, is het resultaat van de dichtheid van chlorofyl in bladeren, omdat hier het werk van fotosynthese wordt gedaan.

Bladeren hebben poriën in hun oppervlak ontwikkeld die huidmondjes worden genoemd (enkelvoud: stoma). Deze openingen zijn de middelen waarmee het blad de in- en uittreding van CO. kan regelen₂, die nodig is voor fotosynthese, en O₂, wat een afvalproduct is van het proces. (Het is contra-intuïtief om zuurstof als afval te beschouwen, maar in deze setting is dat strikt genomen wel wat het is.)

Deze huidmondjes helpen het blad ook om het watergehalte te reguleren. Als er veel water is, zijn de bladeren stijver en "opgeblazen" en hebben de huidmondjes de neiging om gesloten te blijven. Omgekeerd, wanneer water schaars is, gaan de huidmondjes open in een poging om het blad te helpen zichzelf te voeden.

Plantencellen zijn eukaryote cellen, wat betekent dat ze zowel de vier structuren hebben die alle cellen gemeen hebben (DNA, een celmembraan, cytoplasma en ribosomen) als een aantal gespecialiseerde organellen. Plantencellen hebben echter, in tegenstelling tot dierlijke en andere eukaryote cellen, celwanden, zoals bacteriën, maar die zijn geconstrueerd met behulp van verschillende chemicaliën.

Plantencellen hebben ook kernen en hun organellen omvatten de mitochondriën, het endoplasmatisch reticulum, Golgi-lichamen, een cytoskelet en vacuolen. Maar het cruciale verschil tussen plantencellen en andere eukaryote cellen is dat plantencellen: chloroplasten.

In plantencellen bevinden zich organellen die chloroplasten worden genoemd. Net als mitochondriën wordt aangenomen dat deze relatief vroeg in de evolutie van eukaryote organismen zijn opgenomen in eukaryoten, met de entiteit die voorbestemd is om een ​​chloroplast te worden die toen bestond als een vrijstaande fotosynthese-presterende prokaryoot.

De chloroplast is, zoals alle organellen, omgeven door een dubbel plasmamembraan. Binnen dit membraan bevindt zich het stroma, dat een beetje functioneert als het cytoplasma van chloroplasten. Ook in de chloroplasten bevinden zich lichamen die thylakoïde worden genoemd, die zijn gerangschikt als stapels munten en worden omsloten door een eigen membraan.

Chlorofyl wordt beschouwd als "het" pigment van fotosynthese, maar er zijn verschillende soorten chlorofyl, en andere pigmenten dan chlorofyl nemen ook deel aan fotosynthese. Het belangrijkste pigment dat bij fotosynthese wordt gebruikt, is chlorofyl A. Sommige niet-chlorofylpigmenten die deelnemen aan fotosynthetische processen zijn rood, bruin of blauw van kleur.

De lichtreacties van fotosynthese gebruiken lichtenergie om waterstofatomen te verdringen van watermoleculen, met deze waterstofatomen, aangedreven door de stroom van elektronen die uiteindelijk vrijkomt door invallend licht, wordt gebruikt om NADPH en ATP te synthetiseren, die nodig zijn voor het daaropvolgende donker reacties.

De lichtreacties vinden plaats op het thylakoïde membraan, in de chloroplast, in de plantencel. Ze komen op gang wanneer licht een eiwit-chlorofylcomplex genaamd fotosysteem II (PSII). Dit enzym maakt de waterstofatomen vrij van watermoleculen. De zuurstof in het water is dan vrij en de elektronen die daarbij vrijkomen, worden gehecht aan een molecuul dat plastoquinol wordt genoemd, waardoor het in plastochinon verandert. Dit molecuul draagt ​​op zijn beurt de elektronen over aan een enzymcomplex dat cytochroom b6f wordt genoemd. Deze ctyb6f haalt de elektronen uit plastochinon en verplaatst ze naar plastocyanine.

Op dit punt, fotosysteem I (PSI) op de baan komt. Dit enzym haalt de elektronen uit plastocyanine en hecht ze aan een ijzerbevattende verbinding genaamd ferredoxine. Eindelijk, een enzym genaamd ferredoxin-NADP⁺reductase (FNR) om NADPH te maken van NADP⁺. U hoeft niet al deze verbindingen te onthouden, maar het is belangrijk om een ​​idee te hebben van de trapsgewijze, "overdragende" aard van de betrokken reacties.

Ook wanneer PSII waterstof uit water vrijmaakt om de bovenstaande reacties aan te drijven, heeft een deel van die waterstof de neiging om de thylakoïde te willen verlaten voor het stroma, langs de concentratiegradiënt. Het thylakoïdemembraan profiteert van deze natuurlijke uitstroom door het te gebruiken om een ​​ATP-synthasepomp in het membraan aan te drijven, die fosfaatmoleculen aan ADP (adenosinedifosfaat) hecht om ATP te maken.

De donkere reacties van fotosynthese worden zo genoemd omdat ze niet afhankelijk zijn van licht. Ze kunnen echter voorkomen wanneer er licht aanwezig is, dus een nauwkeurigere, zij het omslachtigere naam is "lichtonafhankelijke reactiesOm de zaken verder op te helderen, worden de duistere reacties samen ook wel de. genoemd Calvin cyclus.

Stel je voor dat, wanneer je lucht in je longen inademt, de koolstofdioxide in die lucht in je longen terecht kan komen cellen, die het vervolgens zouden gebruiken om dezelfde stof te maken die het gevolg is van het feit dat uw lichaam het voedsel dat u afbreekt eten. Sterker nog, hierdoor zou je helemaal nooit hoeven te eten. Dit is in wezen het leven van een plant, die de CO₂ het verzamelt uit de omgeving (die er grotendeels is als gevolg van de metabolische processen van andere eukaryoten) om glucose te maken, dat het vervolgens opslaat of verbrandt voor zijn eigen behoeften.

Je hebt al gezien dat fotosynthese begint door waterstofatomen vrij te maken van water en de energie van die atomen te gebruiken om wat NADPH en wat ATP te maken. Maar tot nu toe is er geen melding gemaakt van de andere input voor fotosynthese, CO2. Nu zul je zien waarom al die NADPH en ATP in de eerste plaats werden geoogst.

In de eerste stap van de donkerreacties wordt CO2 gehecht aan een suikerderivaat met vijf koolstofatomen, ribulose 1,5-bisfosfaat genaamd. Deze reactie wordt gekatalyseerd door het enzym ribulose-1,5-bisfosfaatcarboxylase/oxygenase, veel beter bekend als Rubisco. Dit enzym wordt beschouwd als het meest voorkomende eiwit ter wereld, aangezien het aanwezig is in alle planten die fotosynthese ondergaan.

Dit tussenproduct met zes koolstofatomen is onstabiel en splitst zich in een paar moleculen met drie koolstofatomen, fosfoglyceraat genaamd. Deze worden vervolgens gefosforyleerd door een kinase-enzym om 1,3-bisfosfoglyceraat te vormen. Dit molecuul wordt vervolgens omgezet in glyceraldehyde-3-fosfaat (G3P), waarbij fosfaatmoleculen vrijkomen en NAPDH afkomstig van de lichtreacties wordt verbruikt.

Het G3P dat in deze reacties wordt gecreëerd, kan vervolgens in een aantal verschillende paden worden geplaatst, wat resulteert in bij de vorming van glucose, aminozuren of lipiden, afhankelijk van de specifieke behoefte van de plant cellen. Planten synthetiseren ook polymeren van glucose die in de menselijke voeding bijdragen aan zetmeel en vezels.