Enzymaktivitet i fotosyntese

Fotosyntese kan forsvarlig betegnes som den viktigste reaksjonen i all biologi. Undersøk ethvert matnett eller energistrømningssystem i verden, og du vil oppdage at det til slutt er avhengig av energi fra solen for stoffene som opprettholder organismer der. Dyr er avhengige av både de karbonbaserte næringsstoffene (karbohydrater) og oksygenet som fotosyntese genererer, fordi selv dyr som får all næring ved å bytte på andre dyr, ender opp med å spise organismer som de fleste lever eller utelukkende lever av planter.

Fra fotosyntese strømmer altså alle de andre prosessene med energiutveksling observert i naturen. I likhet med glykolyse og reaksjonene ved cellulær respirasjon, har fotosyntese en mengde trinn, enzymer og unike aspekter å vurdere, og forstå roller som de spesifikke katalysatorene for fotosyntese spiller i det som utgjør omdannelse av lys og gass til mat, er avgjørende for å mestre grunnleggende biokjemi.

Fotosyntese hadde noe å gjøre med produksjonen av det siste du spiste, uansett hva det var. Hvis det var plantebasert, er kravet grei. Hvis det var en hamburger, kom kjøttet nesten helt sikkert fra et dyr som selv levde nesten helt av planter. Sett noe annerledes på, hvis solen skulle stenge seg av i dag uten å få verden til å kjøle seg ned, noe som ville føre til å gjøre planter knappe, ville verdens matforsyning snart forsvinne; planter, som tydeligvis ikke er rovdyr, er helt nederst i enhver næringskjede.

Fotosyntese er tradisjonelt delt inn i lysreaksjonene og de mørke reaksjonene. Begge reaksjonene i fotosyntese spiller kritiske roller; førstnevnte stole på tilstedeværelsen av sollys eller annen lysenergi, mens sistnevnte ikke er avhengig av produktene fra lysreaksjonen for å ha substrat å jobbe med. I lysreaksjonene lages energimolekylene som planten trenger for å montere karbohydrat, mens karbohydrat-syntese i seg selv oppstår de mørke reaksjonene. Dette ligner på noen måter til aerob respirasjon, der Krebs sykler, men ikke en stor direkte kilde til ATP (adenosintrifosfat, "energivalutaen" av alle celler), genererer mye mellommolekyler som driver opprettelsen av mye ATP i den påfølgende elektrontransportkjeden reaksjoner.

Det kritiske elementet i planter som lar dem gjennomføre fotosyntese er klorofyll, et stoff som finnes i unike strukturer som kalles kloroplaster.

Netto reaksjonen av fotosyntese er faktisk veldig enkel. Det står det karbondioksid og vann, i nærvær av lysenergi, omdannes til glukose og oksygen under prosessen.

6 CO₂ + lys + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Den samlede reaksjonen er en sum av lysreaksjoner og mørke reaksjoner av fotosyntese:

Lysreaksjoner:12 H₂O + lys → O₂ + 24 H⁺ + 24e⁻

Mørke reaksjoner:6CO₂ + 24 H⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

Kort sagt bruker lysreaksjonene sollys for å skremme opp elektroner som planten deretter kanaliserer til å lage mat (glukose). Hvordan dette skjer i praksis er godt studert og er et vitnesbyrd om milliarder av år med biologisk evolusjon.

En vanlig misforståelse blant mennesker som studerer biovitenskap er at fotosyntese bare er cellulær respirasjon i omvendt retning. Dette er forståelig, gitt at nettoresjonen av fotosyntese ser ut som cellulær respirasjon - begynner med glykolyse og slutter med de aerobe prosessene (Krebs syklus og elektrontransportkjede) i mitokondrier - kjøres nøyaktig i omvendt.

Reaksjonene som transformerer karbondioksid til glukose i fotosyntese er imidlertid langt forskjellige enn de som brukes til å redusere glukose ned til karbondioksid i cellulær respirasjon. Planter, husk, bruker også cellulær respirasjon. Kloroplaster er ikke "mitokondriene til planter"; planter har også mitokondrier.

Tenk på fotosyntese som noe som skjer hovedsakelig fordi planter ikke har munn, men likevel stole på å brenne glukose som et næringsstoff for å lage sitt eget drivstoff. Hvis planter ikke kan få i seg glukose, men likevel krever en jevn tilførsel av det, må de gjøre det tilsynelatende umulige og lage det selv. Hvordan lager planter mat? De bruker eksternt lys for å drive små kraftverk i dem for å gjøre det. At de kan gjøre, avhenger i stor grad av hvordan de faktisk er strukturert.

Strukturer som har mye overflateareal i forhold til massen, er godt posisjonert for å fange mye av sollyset som passerer deres vei. Dette er grunnen til at planter har blader. Det faktum at blader pleier å være den grønneste delen av planter, er resultatet av tettheten av klorofyll i bladene, da det er her arbeidet med fotosyntese gjøres.

Bladene har utviklet seg porene i overflatene deres, kalt stomata (entall: stomi). Disse åpningene er middelene som bladet kan kontrollere inn- og utgang av CO₂, som er nødvendig for fotosyntese, og O₂, som er et avfallsprodukt fra prosessen. (Det er motstridende å tenke på oksygen som avfall, men i denne innstillingen er det strengt tatt det.)

Disse stomatene hjelper også bladet med å regulere vanninnholdet. Når det er rikelig med vann, er bladene stivere og "oppblåst", og stomata er tilbøyelig til å forbli lukket. Omvendt, når vannet er lite, åpner stomataen i et forsøk på å hjelpe bladet å nærme seg selv.

Planteceller er eukaryote celler, noe som betyr at de har både de fire strukturene som er felles for alle celler (DNA, en cellemembran, cytoplasma og ribosomer) og en rekke spesialiserte organeller. Planteceller har imidlertid, i motsetning til dyre- og andre eukaryote celler, cellevegger, slik bakterier gjør, men konstruert med forskjellige kjemikalier.

Planteceller har også kjerner, og deres organeller inkluderer mitokondriene, det endoplasmatiske retikulum, Golgi-legemer, et cytoskjelett og vakuoler. Men den kritiske forskjellen mellom planteceller og andre eukaryote celler er at planteceller inneholder kloroplaster.

Innen planteceller er organeller kalt kloroplaster. I likhet med mitokondrier antas disse å være innlemmet i eukaryote organismer relativt tidlig i utviklingen av eukaryoter, med enheten som er bestemt til å bli en kloroplast som da eksisterer som en frittstående fotosyntese som utfører prokaryote.

Kloroplasten, som alle organeller, er omgitt av en dobbel plasmamembran. Innenfor denne membranen er stromaen, som fungerer omtrent som cytoplasmaet til kloroplaster. Også innenfor kloroplastene er kropper kalt thylakoid, som er ordnet som mynter og bundet av en egen membran.

Klorofyll regnes som "det" pigmentet av fotosyntese, men det finnes flere forskjellige typer klorofyll, og pigment annet enn klorofyll deltar også i fotosyntese. Det viktigste pigmentet som brukes i fotosyntese er klorofyll A. Noen ikke-klorofyllpigmenter som deltar i fotosyntetiske prosesser har rød, brun eller blå farge.

Lysreaksjonene fra fotosyntese bruker lysenergi til å fortrenge hydrogenatomer fra vannmolekyler, med disse hydrogenatomene drevet av strøm av elektroner til slutt frigjort av innkommende lys, og brukes til å syntetisere NADPH og ATP, som er nødvendig for det påfølgende mørket reaksjoner.

Lysreaksjonene oppstår på tylakoidmembranen, inne i kloroplasten, inne i plantecellen. De kommer i gang når lys rammer et protein-klorofyllkompleks som kalles fotosystem II (PSII). Dette enzymet er det som frigjør hydrogenatomene fra vannmolekyler. Oksygenet i vannet er da fritt, og elektronene som frigjøres i prosessen er festet til et molekyl som kalles plastokinol, og gjør det til plastokinon. Dette molekylet overfører i sin tur elektronene til et enzymkompleks kalt cytokrom b6f. Denne ctyb6f tar elektronene fra plastokinon og flytter dem til plastocyanin.

På dette punktet, fotosystem I (PSI) kommer på jobben. Dette enzymet tar elektronene fra plastocyanin og fester dem til en jernholdig forbindelse kalt ferredoksin. Til slutt et enzym kalt ferredoksin – NADP⁺reduktase (FNR) for å lage NADPH fra NADP⁺. Du trenger ikke å huske alle disse forbindelsene, men det er viktig å ha en følelse av den cascading, "overlevering" av reaksjonene som er involvert.

Også når PSII frigjør hydrogen fra vann til å drive ovennevnte reaksjoner, har noe av det hydrogen en tendens til å ønske å forlate thylakoid for stroma, ned i konsentrasjonsgradienten. Thylakoidmembranen utnytter denne naturlige utstrømningen ved å bruke den til å drive en ATP-syntasepumpe i membranen, som fester fosfatmolekyler til ADP (adenosindifosfat) for å lage ATP.

De mørke reaksjonene fra fotosyntese er så kalt fordi de ikke stole på lys. Imidlertid kan de oppstå når lys er tilstede, så et mer nøyaktig, hvis mer tungvint, navn er "lysuavhengige reaksjoner. "For å avklare saken ytterligere, er de mørke reaksjonene sammen også kjent som Calvin syklus.

Tenk deg at når du puster inn luft i lungene, kan karbondioksidet i luften komme seg inn i lungene celler, som deretter bruker den til å lage det samme stoffet som skyldes at kroppen din bryter ned maten du har spise. Faktisk, på grunn av dette, vil du aldri trenge å spise i det hele tatt. Dette er egentlig livet til en plante som bruker CO₂ den samles fra miljøet (som stort sett er der som et resultat av de metabolske prosessene til andre eukaryoter) for å lage glukose, som den enten lagrer eller brenner for sine egne behov.

Du har allerede sett at fotosyntese starter med å banke hydrogenatomer fri fra vann og bruke energien fra disse atomene til å lage noe NADPH og litt ATP. Men så langt har det ikke blitt nevnt noe annet om innspill til fotosyntese, CO2. Nå vil du se hvorfor alt det NADPH og ATP ble høstet i utgangspunktet.

I det første trinnet av de mørke reaksjonene er CO2 festet til et fem-karbon sukkerderivat kalt ribulose 1,5-bisfosfat. Denne reaksjonen katalyseres av enzymet ribulose-1,5-bisfosfatkarboksylase / oksygenase, mye mer minneverdig kjent som Rubisco. Dette enzymet antas å være det rikeste proteinet i verden, gitt at det er tilstede i alle planter som gjennomgår fotosyntese.

Dette seks-karbon mellomproduktet er ustabilt og deler seg i et par tre-karbonmolekyler kalt fosfoglyserat. Disse fosforyleres deretter av et kinaseenzym for å danne 1,3-bisfosfoglyserat. Dette molekylet blir deretter omdannet til glyseraldehyd-3-fosfat (G3P), frigjør fosfatmolekyler og forbruker NAPDH avledet fra lysreaksjonene.

G3P opprettet i disse reaksjonene kan deretter settes i en rekke forskjellige veier, noe som resulterer i dannelsen av glukose, aminosyrer eller lipider, avhengig av plantens spesifikke behov celler. Planter syntetiserer også polymerer av glukose som i menneskelig diett bidrar med stivelse og fiber.