Активность ферментов в фотосинтезе

Фотосинтез с полным основанием можно назвать самой важной реакцией во всей биологии. Изучите любую пищевую сеть или систему потоков энергии в мире, и вы обнаружите, что она в конечном итоге полагается на энергию солнца для веществ, которые поддерживают в ней организмы. Животные полагаются как на углеродные питательные вещества (углеводы), так и на кислород, который генерирует фотосинтез, потому что даже животные которые получают все свое питание, охотясь на других животных, в конечном итоге поедают организмы, которые сами живут в основном или исключительно на растения.

Таким образом, из фотосинтеза вытекают все остальные процессы обмена энергией, наблюдаемые в природе. Подобно гликолизу и реакциям клеточного дыхания, фотосинтез состоит из множества этапов, ферментов и уникальных аспектов, которые необходимо учитывать и понимать. роли, которые специфические катализаторы фотосинтеза играют в преобразовании света и газа в пищу, имеют решающее значение для усвоения основных биохимия.

Фотосинтез имеет какое-то отношение к производству того, что вы ели в последний раз, чем бы это ни было. Если это было на растительной основе, претензия очевидна. Если это был гамбургер, то мясо почти наверняка принадлежало животному, которое само почти полностью питалось растениями. Если взглянуть на это несколько иначе, если бы солнце отключилось сегодня, не заставляя мир остывать, что привело бы к дефициту растений, запасы пищи в мире скоро исчезли бы; растения, которые явно не являются хищниками, находятся в самом низу любой пищевой цепи.

Фотосинтез традиционно делится на световые и темные реакции. Обе реакции в фотосинтезе играют решающую роль; первые полагаются на присутствие солнечного света или другой световой энергии, а вторые не зависят от продуктов световой реакции, чтобы иметь субстрат для работы. В световых реакциях вырабатываются энергетические молекулы, необходимые растению для сборки углеводов, в то время как сам синтез углеводов происходит в темных реакциях. В некотором смысле это похоже на аэробное дыхание, когда цикл Кребса не является основным прямым источником АТФ (аденозинтрифосфата, «энергетической валюты»). всех клеток), генерирует большое количество промежуточных молекул, которые стимулируют создание большого количества АТФ в последующей цепи переноса электронов. реакции.

Важнейшим элементом растений, который позволяет им проводить фотосинтез, является хлорофилл, вещество, которое содержится в уникальных структурах, называемых хлоропласты.

Чистая реакция фотосинтеза на самом деле очень проста. В нем говорится, что углекислый газ и вода в присутствии световой энергии превращаются в глюкозу и кислород во время процесса..

6 CO₂ + свет + 6 H₂О → С₆ЧАС₁₂O₆ + 6 O₂

Общая реакция - это сумма легкие реакции и темные реакции фотосинтеза:

Легкие реакции:12 часов₂O + свет → O₂ + 24 часа⁺ + 24e⁻

Темные реакции:6CO₂ + 24 часа⁺ + 24 e⁻ → С₆ЧАС₁₂O₆ + 6 часов₂O

Короче говоря, световые реакции используют солнечный свет для отпугивания электронов, которые затем растение направляет на производство пищи (глюкозы). То, как это происходит на практике, хорошо изучено и является свидетельством миллиардов лет биологической эволюции.

Среди людей, изучающих науки о жизни, распространено заблуждение, что фотосинтез - это просто обратное клеточное дыхание. Это понятно, учитывая, что чистая реакция фотосинтеза похожа на клеточное дыхание - начиная с гликолиз и заканчивая аэробными процессами (цикл Кребса и цепь переноса электронов) в митохондриях - протекают именно в обеспечить регресс.

Однако реакции, которые превращают углекислый газ в глюкозу в процессе фотосинтеза, сильно отличаются от тех, которые используются для восстановления глюкозы до углекислого газа при клеточном дыхании. Имейте в виду, что растения также используют клеточное дыхание. Хлоропласты - это не «митохондрии растений»; у растений тоже есть митохондрии.

Думайте о фотосинтезе как о чем-то, что происходит в основном потому, что у растений нет рта, но они по-прежнему полагаются на сжигание глюкозы в качестве питательного вещества для производства собственного топлива. Если растения не могут усваивать глюкозу, но по-прежнему нуждаются в ее постоянном поступлении, им приходится делать, казалось бы, невозможное, и делать это самостоятельно. Как растения делают пищу? Они используют внешний свет, чтобы управлять крошечными электростанциями внутри себя. То, что они могут это сделать, во многом зависит от того, как они на самом деле структурированы.

Конструкции, у которых большая площадь поверхности по отношению к их массе, хорошо расположены для улавливания большого количества солнечного света, проходящего на их пути. Вот почему у растений есть листья. Тот факт, что листья, как правило, являются самой зеленой частью растений, является результатом плотности хлорофилла в листьях, поскольку именно здесь выполняется работа фотосинтеза.

На поверхности листьев образовались поры, называемые устьицами (единственное число: стома). Эти отверстия являются средством, с помощью которого створка может контролировать вход и выход CO.₂, необходимый для фотосинтеза, а O₂, который является побочным продуктом процесса. (Было бы нелогично думать о кислороде как о отходах, но в данном случае, строго говоря, именно это и есть.)

Эти устьица также помогают листу регулировать содержание воды. Когда воды много, листья становятся более жесткими и «раздутыми», а устьица склонны оставаться закрытыми. И наоборот, когда воды не хватает, устьица открываются, чтобы помочь листу питаться.

Растительные клетки являются эукариотическими клетками, что означает, что они имеют как четыре структуры, общие для всех клеток (ДНК, клеточную мембрану, цитоплазму и рибосомы), так и ряд специализированных органелл. Однако клетки растений, в отличие от клеток животных и других эукариот, имеют клеточные стенки, как и бактерии, но построены с использованием других химических веществ.

У растительных клеток также есть ядра, а их органеллы включают митохондрии, эндоплазматический ретикулум, тельца Гольджи, цитоскелет и вакуоли. Но критическое различие между растительными клетками и другими эукариотическими клетками состоит в том, что растительные клетки содержат хлоропласты.

Внутри растительных клеток есть органеллы, называемые хлоропластами. Как и митохондрии, они, как полагают, были включены в эукариотические организмы относительно рано в процессе эволюции эукариоты, с сущностью, которой суждено стать хлоропластом, а затем существовать как автономный фотосинтез, выполняющий прокариот.

Хлоропласт, как и все органеллы, окружен двойной плазматической мембраной. Внутри этой мембраны находится строма, которая функционирует как цитоплазма хлоропластов. Также внутри хлоропластов находятся тела, называемые тилакоидами, которые расположены как стопки монет и окружены собственной мембраной.

Хлорофилл считается «пигментом фотосинтеза», но существует несколько различных типов хлорофилла, и в фотосинтезе участвует и пигмент, отличный от хлорофилла. Основным пигментом, используемым в фотосинтезе, является хлорофилл А. Некоторые пигменты, не относящиеся к хлорофиллу, которые участвуют в процессах фотосинтеза, имеют красный, коричневый или синий цвет.

Световые реакции фотосинтеза используют световую энергию для вытеснения атомов водорода из молекул воды, причем эти атомы водорода питаются от поток электронов, в конечном итоге высвобождаемых падающим светом, используется для синтеза НАДФН и АТФ, которые необходимы для последующего темного реакции.

Световые реакции происходят на тилакоидной мембране, внутри хлоропласта, внутри растительной клетки. Они начинаются, когда свет падает на комплекс белок-хлорофилл, называемый фотосистема II (ФСII). Этот фермент освобождает атомы водорода от молекул воды. Кислород в воде становится свободным, а освобожденные в процессе электроны присоединяются к молекуле под названием пластохинол, превращая ее в пластохинон. Эта молекула, в свою очередь, передает электроны ферментному комплексу, называемому цитохромом b6f. Этот ctyb6f забирает электроны из пластохинона и перемещает их в пластоцианин.

С этой точки зрения, фотосистема I (PSI) приступает к работе. Этот фермент забирает электроны у пластоцианина и присоединяет их к железосодержащему соединению, называемому ферредоксином. Наконец, фермент под названием ферредоксин-НАДФ⁺редуктаза (FNR), чтобы сделать НАДФН из НАДФ⁺. Вам не нужно запоминать все эти соединения, но важно иметь представление о каскадном, «переключающем» характере задействованных реакций.

Кроме того, когда ФСII высвобождает водород из воды, чтобы привести в действие вышеуказанные реакции, часть этого водорода стремится покинуть тилакоид в строму, вниз по градиенту его концентрации. Тилакоидная мембрана пользуется преимуществом этого естественного оттока, используя его для питания насоса АТФ-синтазы в мембране, который присоединяет молекулы фосфата к АДФ (аденозиндифосфат) для производства АТФ.

Темные реакции фотосинтеза названы так потому, что они не зависят от света. Однако они могут возникать при наличии света, поэтому более точное, хотя и более громоздкое, название - "светонезависимые реакции. "Чтобы прояснить ситуацию дальше, темные реакции вместе также известны как Цикл Кальвина.

Представьте, что при вдыхании воздуха в легкие углекислый газ, содержащийся в воздухе, может попасть в ваши легкие. клетки, которые затем будут использовать его для производства того же вещества, которое образуется в результате расщепления пищи, которую вы есть. Фактически, из-за этого вам вообще не придется есть. Это, по сути, жизнь растения, использующего углекислый газ.₂ он собирается из окружающей среды (которая в значительной степени является результатом метаболических процессов других эукариот) для производства глюкозы, которую затем либо хранит, либо сжигает для собственных нужд.

Вы уже видели, что фотосинтез начинается с высвобождения атомов водорода из воды и использования энергии этих атомов для образования некоторого количества НАДФН и некоторого количества АТФ. Но до сих пор не было упоминания о другом входе в фотосинтез, CO2. Теперь вы поймете, почему вообще были собраны все эти НАДФН и АТФ.

На первом этапе темных реакций СО2 присоединяется к производному пятиуглеродного сахара, называемому рибулозо-1,5-бисфосфатом. Эта реакция катализируется ферментом рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза / оксигеназа, более известным как Рубиско. Этот фермент считается самым распространенным белком в мире, учитывая, что он присутствует во всех растениях, подвергающихся фотосинтезу.

Этот шестиуглеродный промежуточный продукт нестабилен и расщепляется на пару трехуглеродных молекул, называемых фосфоглицератом. Затем они фосфорилируются ферментом киназой с образованием 1,3-бисфосфоглицерата. Затем эта молекула превращается в глицеральдегид-3-фосфат (G3P), высвобождая молекулы фосфата и потребляя NAPDH, полученный в результате световых реакций.

G3P, образующийся в этих реакциях, затем может быть введен в ряд различных путей, в результате чего в образовании глюкозы, аминокислот или липидов, в зависимости от конкретных потребностей растения клетки. Растения также синтезируют полимеры глюкозы, которые в рационе человека вносят крахмал и клетчатку.