Activitatea enzimatică în fotosinteză

Fotosinteza poate fi etichetată în mod defensiv drept cea mai importantă reacție din toată biologia. Examinați orice rețea alimentară sau sistem de flux de energie din lume și veți descoperi că se bazează în cele din urmă pe energia din soare pentru substanțele care susțin organismele din interior. Animalele se bazează atât pe substanțele nutritive pe bază de carbon (carbohidrați), cât și pe oxigenul pe care îl generează fotosinteza, deoarece chiar și animalele care își hrănesc toată alimentarea prin prădarea altor animale, ajung să mănânce organisme din care trăiesc ele însele mai ales sau exclusiv plante.

Din fotosinteză decurg astfel toate celelalte procese de schimb de energie observate în natură. La fel ca glicoliza și reacțiile respirației celulare, fotosinteza are o mulțime de pași, enzime și aspecte unice de luat în considerare și înțelegerea rolurile pe care catalizatorii specifici ai fotosintezei le joacă în ceea ce înseamnă conversia luminii și gazului în alimente este esențială pentru stăpânirea de bază biochimie.

Fotosinteza a avut ceva de-a face cu producerea ultimului lucru pe care l-ai mâncat, oricare ar fi fost acela. Dacă a fost bazată pe plante, afirmația este simplă. Dacă era un hamburger, carnea provenea aproape sigur de la un animal care însuși a subzistit aproape în totalitate cu plante. Privit oarecum diferit, dacă soarele s-ar închide astăzi fără a face lumea să se răcească, ceea ce ar duce la reducerea plantelor, aprovizionarea cu alimente a lumii ar dispărea în curând; plantele, care în mod clar nu sunt prădători, se află chiar în partea de jos a oricărui lanț alimentar.

Fotosinteza este împărțită în mod tradițional în reacțiile luminoase și reacțiile întunecate. Ambele reacții în fotosinteză joacă roluri critice; primele se bazează pe prezența soarelui sau a altei energii luminoase, în timp ce acestea din urmă nu depind decât de produsele reacției luminii pentru a avea substrat cu care să lucreze. În reacțiile luminoase, se produc moleculele de energie de care planta are nevoie pentru a asambla carbohidrații, în timp ce sinteza glucidică are loc în sine reacțiile întunecate. Acest lucru este similar în unele moduri cu respirația aerobă, unde ciclul Krebs, deși nu este o sursă directă majoră de ATP (adenozin trifosfat, „moneda energetică”) a tuturor celulelor), generează o mulțime de molecule intermediare care determină crearea unei cantități mari de ATP în lanțul ulterior de transport al electronilor reacții.

Elementul critic din plante care le permite să efectueze fotosinteza este clorofilă, o substanță care se găsește în structuri unice numite cloroplaste.

Reacția netă a fotosintezei este de fapt foarte simplă. Se afirmă că dioxidul de carbon și apa, în prezența energiei luminoase, sunt transformate în glucoză și oxigen în timpul procesului.

6 CO₂ + lumină + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Reacția generală este o sumă a reacții ușoare si reacții întunecate de fotosinteză:

Reacții ușoare:12 H₂O + lumină → O₂ + 24 ore⁺ + 24e⁻

Reacții întunecate:6CO₂ + 24 ore⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

Pe scurt, reacțiile la lumină folosesc lumina soarelui pentru a speria electronii pe care planta îi canalizează apoi în producerea alimentelor (glucoza). Cum se întâmplă acest lucru în practică a fost bine studiat și este o dovadă a miliarde de ani de evoluție biologică.

O concepție greșită obișnuită în rândul persoanelor care studiază științele vieții este că fotosinteza este pur și simplu respirația celulară în sens invers. Acest lucru este de înțeles, având în vedere că reacția netă a fotosintezei arată la fel ca respirația celulară - începând cu glicoliză și se încheie cu procesele aerobe (ciclul Krebs și lanțul de transport al electronilor) în mitocondrii - rulează exact în verso.

Reacțiile care transformă dioxidul de carbon în glucoză în fotosinteză sunt însă foarte diferite de cele care sunt utilizate pentru a reduce glucoza înapoi în dioxid de carbon în respirația celulară. Rețineți că plantele folosesc și respirația celulară. Cloroplastele nu sunt „mitocondriile plantelor”; plantele au și mitocondrii.

Gândiți-vă la fotosinteză ca la ceva care se întâmplă în principal pentru că plantele nu au gură, dar se bazează totuși pe arderea glucozei ca nutrient pentru a-și produce propriul combustibil. Dacă plantele nu pot ingera glucoză, totuși necesită totuși un aport constant de ea, atunci trebuie să facă ceea ce pare imposibil și să o facă singure. Cum fac plantele hrana? Folosesc lumină externă pentru a conduce centrale minuscule în interiorul lor pentru ao face. Faptul că pot face acest lucru depinde în mare măsură de modul în care sunt structurate de fapt.

Structurile care au multă suprafață în raport cu masa lor sunt bine poziționate pentru a capta o mare parte din lumina soarelui care le trece. Acesta este motivul pentru care plantele au frunze. Faptul că frunzele tind să fie cea mai verde parte a plantelor este rezultatul densității clorofilei din frunze, deoarece aici se realizează activitatea de sinteză.

Frunzele au dezvoltat pori în suprafețele lor numite stomate (singular: stoma). Aceste deschideri sunt mijloacele prin care frunza poate controla intrarea și ieșirea CO₂, care este necesar pentru fotosinteză, și O₂, care este un produs rezidual al procesului. (Este contraintuitiv să ne gândim la oxigen ca la deșeuri, dar în acest context, strict vorbind, asta este.)

Aceste stomate ajută și frunza să-și regleze conținutul de apă. Când apa este abundentă, frunzele sunt mai rigide și „umflate”, iar stomatele sunt înclinate să rămână închise. În schimb, când apa este puțină, stomatele se deschid într-un efort de a ajuta frunza să se hrănească.

Celulele vegetale sunt celule eucariote, ceea ce înseamnă că au atât cele patru structuri comune tuturor celulelor (ADN, o membrană celulară, citoplasma și ribozomii), cât și o serie de organite specializate. Cu toate acestea, celulele vegetale, spre deosebire de celulele animale și alte celule eucariote, au pereți celulari, la fel ca bacteriile, dar construite folosind substanțe chimice diferite.

Celulele vegetale au și nuclee, iar organitele lor includ mitocondriile, reticulul endoplasmatic, corpurile Golgi, un citoschelet și vacuole. Dar diferența critică dintre celulele vegetale și alte celule eucariote este că celulele vegetale conțin cloroplaste.

În celulele vegetale se află organite numite cloroplaste. La fel ca mitocondriile, se crede că acestea au fost încorporate în organismele eucariote relativ devreme în evoluția eucariote, cu entitatea destinată să devină un cloroplast existând apoi ca o fotosinteză de sine stătătoare procariot.

Cloroplastul, ca toate organele, este înconjurat de o membrană plasmatică dublă. În această membrană se află stroma, care funcționează ca citoplasma cloroplastelor. De asemenea, în cloroplaste sunt corpuri numite tilacoid, care sunt aranjate ca niște stive de monede și închise de o membrană proprie.

Clorofila este considerată „pigmentul” fotosintezei, dar există mai multe tipuri diferite de clorofilă, iar pigmentul, altul decât clorofila, participă și la fotosinteză. Pigmentul major utilizat în fotosinteză este clorofila A. Unii pigmenți non-clorofilici care participă la procesele fotosintetice sunt de culoare roșie, maro sau albastră.

Reacțiile de lumină ale fotosintezei folosesc energia luminii pentru a deplasa atomii de hidrogen din moleculele de apă, cu acești atomi de hidrogen, alimentați de fluxul de electroni eliberat în cele din urmă de lumina primită, fiind folosit pentru a sintetiza NADPH și ATP, care sunt necesare pentru întunericul ulterior reacții.

Reacțiile luminoase apar pe membrana tilacoidă, în interiorul cloroplastului, în interiorul celulei vegetale. Ei încep atunci când lumina lovește un complex proteină-clorofilă numit fotosistem II (PSII). Această enzimă este cea care eliberează atomii de hidrogen de moleculele de apă. Oxigenul din apă este apoi liber, iar electronii eliberați în acest proces sunt atașați la o moleculă numită plastochinol, transformându-l în plastochinonă. La rândul său, această moleculă transferă electronii către un complex enzimatic numit citocrom b6f. Acest ctyb6f preia electronii din plastochinonă și îi mută în plastocianină.

In acest punct, fotosistem I (PSI) se angajează. Această enzimă preia electronii din plastocianină și îi atașează la un compus care conține fier numit feredoxină. În cele din urmă, o enzimă numită feredoxină – NADP⁺reductază (FNR) pentru a face NADPH din NADP⁺. Nu este nevoie să memorați toți acești compuși, dar este important să aveți un sentiment al caracterului în cascadă, „predare” a reacțiilor implicate.

De asemenea, când PSII eliberează hidrogenul din apă pentru a alimenta reacțiile de mai sus, o parte din acel hidrogen tinde să dorească să părăsească tilacoidul pentru stromă, în josul gradientului său de concentrație. Membrana tilacoidă profită de acest flux natural prin utilizarea acestuia pentru a alimenta o pompă ATP sintază în membrană, care atașează molecule de fosfat la ADP (adenozin difosfat) pentru a produce ATP.

Reacțiile întunecate ale fotosintezei sunt denumite astfel deoarece nu se bazează pe lumină. Cu toate acestea, ele pot apărea atunci când este prezentă lumina, deci un nume mai precis, dacă este mai greoi, este „reacții independente de lumină"Pentru a clarifica lucrurile în continuare, reacțiile întunecate sunt împreună cunoscute și sub numele de Ciclul Calvin.

Imaginați-vă că, atunci când inspirați aer în plămâni, dioxidul de carbon din acel aer ar putea intra în interiorul vostru celulele, care l-ar folosi apoi pentru a produce aceeași substanță care rezultă din faptul că corpul tău descompune mâncarea pe care ți-o faci mânca. De fapt, din această cauză, nu ar trebui să mănânci deloc. Aceasta este în esență viața unei plante, care folosește CO₂ se adună din mediul înconjurător (care este acolo în mare parte ca urmare a proceselor metabolice ale altor eucariote) pentru a produce glucoză, pe care apoi o stochează sau o arde pentru propriile sale nevoi.

Ați văzut deja că fotosinteza începe prin eliminarea atomilor de hidrogen din apă și utilizarea energiei din acești atomi pentru a produce niște NADPH și niște ATP. Dar, până acum, nu s-a menționat celălalt aport în fotosinteză, CO2. Acum veți vedea de ce toate NADPH și ATP au fost recoltate în primul rând.

În primul pas al reacțiilor întunecate, CO2 este atașat la un derivat de zahăr cu cinci atomi de carbon numit ribuloză 1,5-bisfosfat. Această reacție este catalizată de enzima ribuloză-1,5-bisfosfat carboxilază / oxigenază, mult mai memorabilă cunoscută sub numele de Rubisco. Se crede că această enzimă este cea mai abundentă proteină din lume, având în vedere că este prezentă la toate plantele care suferă fotosinteza.

Acest intermediar cu șase carbon este instabil și se împarte într-o pereche de molecule cu trei carbon numite fosfoglicerat. Acestea sunt apoi fosforilate de o enzimă kinază pentru a forma 1,3-bisfosfoglicerat. Această moleculă este apoi convertită în gliceraldehidă-3-fosfat (G3P), eliberând molecule de fosfat și consumând NAPDH derivat din reacțiile ușoare.

G3P creat în aceste reacții poate fi apoi introdus într-o serie de căi diferite, rezultând în formarea de glucoză, aminoacizi sau lipide, în funcție de nevoile specifice ale plantei celule. Plantele sintetizează, de asemenea, polimeri de glucoză care în dieta umană contribuie cu amidon și fibre.