Aktywność enzymatyczna w fotosyntezie

Fotosyntezę można bezspornie nazwać najważniejszą reakcją w całej biologii. Zbadaj jakąkolwiek sieć pokarmową lub system przepływu energii na świecie, a przekonasz się, że ostatecznie opiera się on na energii słonecznej dla substancji, które podtrzymują w nim organizmy. Zwierzęta polegają zarówno na składnikach odżywczych opartych na węglu (węglowodany), jak i na tlenie wytwarzanym przez fotosyntezę, ponieważ nawet zwierzęta które czerpią całe swoje pożywienie żerując na innych zwierzętach, kończą zjadanie organizmów, które same żyją głównie lub wyłącznie na rośliny.

Z fotosyntezy wypływają więc wszystkie inne procesy wymiany energii obserwowane w przyrodzie. Podobnie jak glikoliza i reakcje oddychania komórkowego, fotosynteza ma szereg etapów, enzymów i unikalnych aspektów do rozważenia i zrozumienia role, jakie odgrywają specyficzne katalizatory fotosyntezy, w których konwersja światła i gazu do żywności ma kluczowe znaczenie dla opanowania podstawowych biochemia.

Fotosynteza miała coś wspólnego z produkcją ostatniej rzeczy, którą zjadłeś, cokolwiek to było. Jeśli był oparty na roślinach, roszczenie jest proste. Jeśli był to hamburger, mięso prawie na pewno pochodziło od zwierzęcia, które samo żywiło się prawie wyłącznie roślinami. Patrząc nieco inaczej, gdyby słońce zamknęło się dzisiaj, nie powodując ochłodzenia świata, co doprowadziłoby do niedoboru roślin, światowe zasoby żywności wkrótce by zniknęły; rośliny, które wyraźnie nie są drapieżnikami, znajdują się na samym dole każdego łańcucha pokarmowego.

Fotosynteza tradycyjnie dzieli się na reakcje jasne i reakcje ciemne. Obie reakcje w fotosyntezie odgrywają kluczową rolę; te pierwsze opierają się na obecności światła słonecznego lub innej energii świetlnej, podczas gdy te drugie zależą od produktów reakcji świetlnej, z którymi można pracować. W reakcjach świetlnych powstają cząsteczki energii potrzebne roślinie do zgromadzenia węglowodanów, podczas gdy sama synteza węglowodanów zachodzi w reakcjach ciemnych. Jest to pod pewnymi względami podobne do oddychania tlenowego, w którym cykl Krebsa, choć nie jest głównym bezpośrednim źródłem ATP (adenozynotrójfosforanu, „waluty energetycznej” wszystkich komórek), generuje dużą ilość cząsteczek pośrednich, które napędzają tworzenie dużej ilości ATP w kolejnym łańcuchu transportu elektronów reakcje.

Najważniejszym elementem w roślinach, który umożliwia im prowadzenie fotosyntezy, jest chlorofil, substancja znajdująca się w unikalnych strukturach zwanych chloroplasty.

Reakcja netto fotosyntezy jest w rzeczywistości bardzo prosta. Twierdzi, że dwutlenek węgla i woda, w obecności energii świetlnej, są podczas tego procesu przekształcane w glukozę i tlen.

6 CO₂ + światło + 6 godz.₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Ogólna reakcja jest sumą lekkie reakcje i ciemne reakcje fotosyntezy:

Reakcje świetlne:12 godz₂O + światło → O₂ + 24 godz⁺ + 24e⁻

Ciemne reakcje:6CO₂ + 24 godz⁺ + 24 zł⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 godz₂O

Krótko mówiąc, reakcje świetlne wykorzystują światło słoneczne do odstraszania elektronów, które roślina następnie wykorzystuje do produkcji żywności (glukozy). Sposób, w jaki zachodzi to w praktyce, został dobrze zbadany i jest świadectwem miliardów lat ewolucji biologicznej.

Powszechnym błędem wśród osób studiujących nauki przyrodnicze jest to, że fotosynteza to po prostu oddychanie komórkowe w odwrotnym kierunku. Jest to zrozumiałe, biorąc pod uwagę, że reakcja netto fotosyntezy wygląda jak oddychanie komórkowe – zaczynając od glikolizy i kończąc na procesach tlenowych (cykl Krebsa i łańcuch transportu elektronów) w mitochondriach – przebiegają precyzyjnie w odwrócić.

Reakcje, które przekształcają dwutlenek węgla w glukozę w fotosyntezie, są jednak znacznie inne niż te, które są wykorzystywane do redukcji glukozy z powrotem do dwutlenku węgla w oddychaniu komórkowym. Należy pamiętać, że rośliny również wykorzystują oddychanie komórkowe. Chloroplasty nie są „mitochondriami roślin”; rośliny też mają mitochondria.

Pomyśl o fotosyntezie jako o czymś, co dzieje się głównie dlatego, że rośliny nie mają ust, ale nadal polegają na spalaniu glukozy jako składnika odżywczego, aby wytworzyć własne paliwo. Jeśli rośliny nie mogą spożywać glukozy, a mimo to wymagają jej stałego dostarczania, muszą dokonać pozornie niemożliwego i zrobić to same. Jak rośliny wytwarzają żywność? Używają zewnętrznego światła, aby napędzać małe elektrownie w nich, aby to zrobić. To, czy mogą to zrobić, zależy w dużej mierze od ich faktycznej struktury.

Struktury, które mają dużą powierzchnię w stosunku do swojej masy, są dobrze ustawione, aby przechwycić dużą część przechodzącego przez nie światła słonecznego. Dlatego rośliny mają liście. Fakt, że liście wydają się być najbardziej zieloną częścią roślin, wynika z zagęszczenia chlorofilu w liściach, ponieważ to tam odbywa się praca fotosyntezy.

Na powierzchni liści wykształciły się pory zwane aparatami szparkowymi (liczba pojedyncza: stoma). Te otwory są środkiem, za pomocą którego liść może kontrolować wejście i wyjście CO₂, który jest potrzebny do fotosyntezy, oraz O₂, który jest produktem odpadowym procesu. (Myślenie o tlenie jako o odpadach jest sprzeczne z intuicją, ale w tym kontekście, ściśle mówiąc, tak właśnie jest.)

Te aparaty szparkowe pomagają również liściom regulować zawartość wody. Gdy wody jest pod dostatkiem, liście są bardziej sztywne i „nadmuchane”, a aparaty szparkowe mają tendencję do pozostawania zamkniętymi. I odwrotnie, gdy brakuje wody, aparaty szparkowe otwierają się, aby pomóc liściowi odżywić się.

Komórki roślinne są komórkami eukariotycznymi, co oznacza, że ​​posiadają zarówno cztery struktury wspólne dla wszystkich komórek (DNA, błonę komórkową, cytoplazmę i rybosomy), jak i szereg wyspecjalizowanych organelli. Jednak komórki roślinne, w przeciwieństwie do komórek zwierzęcych i innych komórek eukariotycznych, mają ściany komórkowe, podobnie jak bakterie, ale zbudowane przy użyciu różnych substancji chemicznych.

Komórki roślinne mają również jądra komórkowe, a ich organelle obejmują mitochondria, retikulum endoplazmatyczne, ciała Golgiego, cytoszkielet i wakuole. Ale kluczowa różnica między komórkami roślinnymi a innymi komórkami eukariotycznymi polega na tym, że komórki roślinne zawierają: chloroplasty.

Wewnątrz komórek roślinnych znajdują się organelle zwane chloroplastami. Podobnie jak mitochondria, uważa się, że zostały one włączone do organizmów eukariotycznych stosunkowo wcześnie w ewolucji eukarionty, z istotą, która ma stać się chloroplastem, a następnie istnieje jako wolnostojący, wykonujący fotosyntezę prokariota.

Chloroplast, podobnie jak wszystkie organelle, jest otoczony podwójną błoną plazmatyczną. Wewnątrz tej błony znajduje się zrąb, który działa jak cytoplazma chloroplastów. Również w chloroplastach znajdują się ciała zwane tylakoidami, ułożone jak stosy monet i otoczone własną błoną.

Chlorofil jest uważany za „pigment fotosyntezy”, ale istnieje kilka różnych rodzajów chlorofilu, a pigment inny niż chlorofil również uczestniczy w fotosyntezie. Głównym pigmentem używanym w fotosyntezie jest chlorofil A. Niektóre pigmenty niechlorofilowe, które biorą udział w procesach fotosyntezy, mają kolor czerwony, brązowy lub niebieski.

Reakcje świetlne fotosyntezy wykorzystują energię świetlną do wypierania atomów wodoru z cząsteczek wody, przy czym te atomy wodoru są zasilane przez przepływ elektronów ostatecznie uwolnionych przez wpadające światło, używany do syntezy NADPH i ATP, które są potrzebne do późniejszej ciemności reakcje.

Reakcje świetlne zachodzą na błonie tylakoidów, wewnątrz chloroplastu, wewnątrz komórki roślinnej. Rozpoczynają się, gdy światło uderza w kompleks białkowo-chlorofilowy zwany fotosystem II (PSII). Enzym ten uwalnia atomy wodoru z cząsteczek wody. Tlen w wodzie jest wtedy wolny, a uwolnione w tym procesie elektrony są przyłączane do cząsteczki zwanej plastochinolem, zamieniając ją w plastochinon. Ta cząsteczka z kolei przenosi elektrony do kompleksu enzymatycznego zwanego cytochromem b6f. Ten ctyb6f pobiera elektrony z plastochinonu i przenosi je do plastocyjaniny.

W tym momencie fotosystem I (PSI) dostaje się do pracy. Enzym ten pobiera elektrony z plastocyjaniny i przyłącza je do związku zawierającego żelazo zwanego ferredoksyną. Wreszcie enzym zwany ferredoksyną-NADP⁺reduktaza (FNR), aby wytworzyć NADPH z NADP⁺. Nie musisz zapamiętywać wszystkich tych związków, ale ważne jest, aby mieć poczucie kaskadowej, „przekazującej” natury zachodzących reakcji.

Ponadto, gdy PSII uwalnia wodór z wody, aby zasilić powyższe reakcje, część tego wodoru ma tendencję do opuszczania tylakoidu do zrębu, w dół jego gradientu stężenia. Membrana tylakoidów wykorzystuje ten naturalny odpływ, wykorzystując go do zasilania pompy syntazy ATP w błonie, która przyłącza cząsteczki fosforanu do ADP (difosforanu adenozyny) w celu wytworzenia ATP.

Ciemne reakcje fotosyntezy są tak nazwane, ponieważ nie zależą od światła. Mogą jednak wystąpić, gdy jest obecne światło, więc dokładniejsza, choć bardziej kłopotliwa, nazwa to „reakcje niezależne od światła”. Aby jeszcze bardziej wyjaśnić sprawę, mroczne reakcje są również znane jako Cykl Calvina.

Wyobraź sobie, że wdychając powietrze do płuc, dwutlenek węgla z tego powietrza może przedostać się do twoich komórki, które następnie wykorzystałyby go do wytworzenia tej samej substancji, która powstaje w wyniku rozkładu pokarmu przez organizm jeść. W rzeczywistości z tego powodu nigdy nie musiałbyś w ogóle jeść. Jest to zasadniczo życie rośliny, która wykorzystuje CO₂ gromadzi się ze środowiska (które jest tam głównie w wyniku procesów metabolicznych innych eukariontów), aby wytworzyć glukozę, którą następnie albo magazynuje, albo spala na własne potrzeby.

Widzieliście już, że fotosynteza zaczyna się od wybicia atomów wodoru z wody i wykorzystania energii z tych atomów, aby wytworzyć trochę NADPH i trochę ATP. Ale jak dotąd nie wspomniano o innym wkładzie w fotosyntezę, CO2. Teraz zobaczysz, dlaczego cały ten NADPH i ATP został zebrany w pierwszej kolejności.

W pierwszym etapie ciemnych reakcji CO2 jest przyłączany do pięciowęglowej pochodnej cukru zwanej 1,5-bisfosforanem rybulozy. Reakcja ta jest katalizowana przez enzym karboksylazę/oksygenazę rybulozo-1,5-bisfosforanu, znacznie bardziej zapadającą w pamięć jako Rubisco. Uważa się, że enzym ten jest najbardziej rozpowszechnionym białkiem na świecie, biorąc pod uwagę, że występuje we wszystkich roślinach, które przechodzą fotosyntezę.

Ten sześciowęglowy produkt pośredni jest niestabilny i dzieli się na parę trzywęglowych cząsteczek zwanych fosfoglicerynami. Są one następnie fosforylowane przez enzym kinazę, tworząc 1,3-bisfosfoglicerynian. Ta cząsteczka jest następnie przekształcana w gliceraldehydo-3-fosforan (G3P), uwalniając cząsteczki fosforanu i zużywając NAPDH pochodzący z reakcji świetlnych.

G3P wytworzony w tych reakcjach można następnie umieścić na wielu różnych ścieżkach, w wyniku czego w tworzeniu glukozy, aminokwasów czy lipidów, w zależności od specyficznych potrzeb rośliny komórki. Rośliny syntetyzują również polimery glukozy, które w diecie człowieka dostarczają skrobi i błonnika.