Enzýmová aktivita vo fotosyntéze

Fotosyntézu možno obhájiteľne označiť za najdôležitejšiu reakciu v celej biológii. Preskúmajte akýkoľvek web s potravinami alebo systém toku energie na svete a zistíte, že sa v konečnom dôsledku spolieha na energiu zo slnka pre látky, ktoré udržiavajú organizmy v ňom. Zvieratá sa spoliehajú tak na uhlíkové živiny (uhľohydráty), ako aj na kyslík, ktorý generuje fotosyntéza, pretože dokonca aj na zvieratá ktoré získavajú všetku svoju výživu živením sa inými zvieratami, skoncujú s konzumáciou organizmov, ktoré sami žijú väčšinou alebo výlučne rastlín.

Z fotosyntézy tak prúdia všetky ostatné procesy výmeny energie pozorované v prírode. Rovnako ako glykolýza a reakcie bunkového dýchania, aj fotosyntéza vyžaduje množstvo krokov, enzýmov a jedinečných aspektov, ktoré je potrebné zvážiť, a porozumenie úlohy, ktoré zohrávajú špecifické katalyzátory fotosyntézy v množstvách, ktoré sa premieňajú na svetlo a plyn na jedlo, sú rozhodujúce pre zvládnutie základných biochémia.

Fotosyntéza mala niečo spoločné s výrobou poslednej veci, ktorú ste zjedli, nech už to bolo čokoľvek. Ak to bolo na rastlinnej báze, nárok je jednoznačný. Ak to bol hamburger, mäso takmer s určitosťou pochádzalo zo zvieraťa, ktoré sa samo takmer výlučne živilo rastlinami. Pozerané trochu inak, ak by sa dnes slnko uzavrelo bez toho, aby došlo k ochladeniu sveta, čo by viedlo k nedostatku rastlín, svetová zásoba potravín by čoskoro zmizla; rastliny, ktoré zjavne nie sú predátormi, sú na samom dne každého potravinového reťazca.

Fotosyntéza sa tradične delí na svetlé reakcie a tmavé reakcie. Obidve reakcie vo fotosyntéze zohrávajú rozhodujúcu úlohu; prvé sa spoliehajú na prítomnosť slnečného žiarenia alebo inej svetelnej energie, zatiaľ čo druhé nezávisia len od toho, či budú mať substrát pre prácu závislé od produktov svetelnej reakcie. Pri svetelných reakciách sa vytvárajú energetické molekuly, ktoré rastlina potrebuje na zostavenie uhľohydrátov, zatiaľ čo samotná syntéza uhľohydrátov prebieha pri tmavých reakciách. Toto je podobné v niektorých ohľadoch s aeróbnym dýchaním, kde Krebsov cyklus síce nie je hlavným priamym zdrojom ATP (adenozíntrifosfát, „energetická mena“) všetkých buniek), generuje veľké množstvo intermediárnych molekúl, ktoré riadia tvorbu veľkého množstva ATP v následnom reťazci transportu elektrónov reakcie.

Kritickým prvkom v rastlinách, ktorý im umožňuje vykonávať fotosyntézu, je chlorofyl, látka, ktorá sa nachádza v jedinečných štruktúrach tzv chloroplasty.

Sieťová reakcia fotosyntézy je v skutočnosti veľmi jednoduchá. Uvádza sa v ňom to oxid uhličitý a voda sa za prítomnosti svetelnej energie premieňajú na glukózu a kyslík v priebehu procesu.

6 CO₂ + svetlo + 6 hodín₂O → C.₆H₁₂O₆ + 6 O.₂

Celková reakcia je súčtom svetelné reakcie a temné reakcie fotosyntézy:

Svetelné reakcie:12 H₂O + svetlo → O₂ + 24 hodín⁺ + 24e⁻

Temné reakcie:6CO₂ + 24 hodín⁺ + 24 e⁻ → C.₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

Stručne povedané, svetelné reakcie využívajú slnečné svetlo na vydesenie elektrónov, ktoré potom rastlina smeruje do potravy (glukózy). Ako sa to v praxi deje, bolo dobre preštudované a je dokladom miliárd rokov biologickej evolúcie.

Medzi ľuďmi, ktorí študujú biologické vedy, panuje mylná predstava, že fotosyntéza je jednoducho bunkové dýchanie v opačnom poradí. Je to pochopiteľné, pretože čistá reakcia fotosyntézy vyzerá rovnako ako bunkové dýchanie - počnúc od glykolýza a končiace aeróbnymi procesmi (Krebsov cyklus a reťazec transportu elektrónov) v mitochondriách - prebiehajú presne v obrátiť.

Reakcie, ktoré transformujú oxid uhličitý na glukózu vo fotosyntéze, sú však oveľa odlišné ako reakcie, ktoré sa používajú na zníženie glukózy späť na oxid uhličitý v bunkovom dýchaní. Rastliny, nezabúdajte, tiež využívajú bunkové dýchanie. Chloroplasty nie sú „mitochondrie rastlín“; aj rastliny majú mitochondrie.

Predstavte si fotosyntézu ako niečo, čo sa deje hlavne preto, lebo rastliny nemajú ústa, a napriek tomu sa pri výrobe vlastného paliva spoliehajú na spaľovanie glukózy ako živiny. Ak rastliny stále nemôžu prijímať glukózu, stále potrebujú jej stály prísun, musia urobiť zdanlivo nemožné a vyrobiť si ju sami. Ako si rastliny vyrábajú jedlo? Na pohon malých elektrární v nich používajú vonkajšie svetlo. To, čo môžu urobiť, závisí vo veľkej miere od toho, ako sú skutočne štruktúrované.

Konštrukcie, ktoré majú veľkú plochu v pomere k svojej hmotnosti, sú dobre umiestnené tak, aby zachytávali veľké množstvo slnečného žiarenia prechádzajúceho cestou. Preto majú rastliny listy. Skutočnosť, že listy bývajú najzelenšou časťou rastlín, je výsledkom hustoty chlorofylu v listoch, pretože práve tu sa pracuje s fotosyntézou.

Z listov sa na ich povrchoch vyvinuli póry, ktoré sa nazývajú prieduchy (jednotné číslo: stoma). Tieto otvory sú prostriedkami, pomocou ktorých môže krídlo ovládať vstup a výstup CO₂, ktorý je potrebný na fotosyntézu, a O.₂, ktorý je odpadovým produktom procesu. (Je neintuitívne myslieť na kyslík ako na odpad, ale v tomto prostredí je to prísne povedané.)

Tieto prieduchy tiež pomáhajú listu regulovať jeho obsah vody. Keď je vody dostatok, listy sú tuhšie a „nafúknuté“ a prieduchy sú naklonené tomu, aby zostali zatvorené. Naopak, keď je vody málo, prieduchy sa otvoria v snahe pomôcť listu vyživovať sa.

Rastlinné bunky sú eukaryotické bunky, čo znamená, že majú všetky štyri štruktúry spoločné pre všetky bunky (DNA, bunkovú membránu, cytoplazmu a ribozómy) a množstvo špecializovaných organel. Rastlinné bunky však majú na rozdiel od živočíšnych a iných eukaryotických buniek bunkové steny, ako to robia baktérie, ale sú skonštruované pomocou rôznych chemikálií.

Rastlinné bunky majú tiež jadrá a medzi ich organely patria mitochondrie, endoplazmatické retikulum, Golgiho telieska, cytoskelet a vakuoly. Ale rozhodujúci rozdiel medzi rastlinnými bunkami a inými eukaryotickými bunkami je ten, ktorý obsahujú rastlinné bunky chloroplasty.

V rastlinných bunkách sa nachádzajú organely, ktoré sa nazývajú chloroplasty. Rovnako ako mitochondrie, aj tu sa predpokladá, že boli zabudované do eukaryotických organizmov pomerne skoro vo vývoji eukaryoty, s entitou, ktorá sa má stať chloroplastom, ktorý potom existuje ako samostatný fotosyntéza prokaryot.

Chloroplast je rovnako ako všetky organely obklopený dvojitou plazmatickou membránou. V tejto membráne je stroma, ktorá funguje ako cytoplazma chloroplastov. V chloroplastoch sú aj telieska nazývané tylakoidy, ktoré sú usporiadané ako hromady mincí a uzavreté vlastnou membránou.

Chlorofyl je považovaný za „pigment fotosyntézy, ale existuje niekoľko rôznych typov chlorofylu a na fotosyntéze sa podieľa aj iný pigment ako chlorofyl. Hlavným pigmentom používaným pri fotosyntéze je chlorofyl A. Niektoré nechlorofylové pigmenty, ktoré sa zúčastňujú fotosyntetických procesov, sú červenej, hnedej alebo modrej farby.

Svetelné reakcie fotosyntézy využívajú svetelnú energiu na vytesnenie atómov vodíka z molekúl vody, pričom tieto atómy vodíka sú napájané z tok elektrónov nakoniec oslobodených prichádzajúcim svetlom, ktorý sa používa na syntézu NADPH a ATP, ktoré sú potrebné pre nasledujúcu tmu reakcie.

Svetelné reakcie prebiehajú na tylakoidnej membráne, vo vnútri chloroplastu, vo vnútri rastlinnej bunky. Rozbiehajú sa, keď svetlo udrie na bielkovinovo-chlorofylový komplex zvaný photosystem II (PSII). Tento enzým uvoľňuje atómy vodíka z molekúl vody. Kyslík vo vode je potom voľný a elektróny uvoľnené pri tomto procese sú naviazané na molekulu nazývanú plastochinol, čím sa z nej stáva plastochinón. Táto molekula následne prenáša elektróny do komplexu enzýmov nazývaného cytochróm b6f. Tento ctyb6f berie elektróny z plastochinónu a presúva ich na plastocyanín.

V tejto chvíli fotosystém I (PSI) dostane sa do práce. Tento enzým odoberá elektróny z plastocyanínu a viaže ich na zlúčeninu obsahujúcu železo, ktorá sa nazýva ferredoxín. Nakoniec enzým nazývaný ferredoxín – NADP⁺reduktáza (FNR) na výrobu NADPH z NADP⁺. Nemusíte si pamätať všetky tieto zlúčeniny, ale je dôležité mať zmysel pre kaskádovitú „odovzdávaciu“ povahu reakcií.

Tiež, keď PSII uvoľňuje vodík z vody na napájanie vyššie uvedených reakcií, časť tohto vodíka má tendenciu chcieť opustiť tylakoid pre strómu nadol v koncentračnom gradiente. Tylakoidná membrána využíva tento prirodzený odtok tým, že ju využíva na napájanie ATP syntázovej pumpy v membráne, ktorá pripája molekuly fosfátu k ADP (adenozíndifosfát) a vytvára tak ATP.

Temné reakcie fotosyntézy sú tak pomenované, pretože sa nespoliehajú na svetlo. Môžu sa však vyskytnúť, ak je prítomné svetlo, takže presnejší a ťažkopádnejší názov je „reakcie nezávislé od svetla„Aby sa veci ešte viac objasnili, temné reakcie sú spolu známe aj ako Calvinov cyklus.

Predstavte si, že keď vdychujete vzduch do pľúc, oxid uhličitý v tomto vzduchu by sa mohol dostať až do vašich bunky, ktoré by ho potom použili na výrobu rovnakej látky, ktorá je výsledkom toho, že vaše telo rozkladá potravu, ktorú ste jesť. Z tohto dôvodu by ste v skutočnosti nikdy nemuseli jesť vôbec. Toto je v podstate život rastliny, ktorá používa CO₂ zhromažďuje sa z prostredia (ktoré je tam prevažne v dôsledku metabolických procesov iných eukaryotov), ​​aby vytvoril glukózu, ktorú potom buď ukladá, alebo spaľuje pre vlastnú potrebu.

Už ste videli, že fotosyntéza začína odbúravaním atómov vodíka z vody a využitím energie z týchto atómov na výrobu NADPH a ATP. Ale zatiaľ sa nehovorí o ďalších vstupoch do fotosyntézy, CO2. Teraz uvidíte, prečo sa všetky tieto NADPH a ATP zozbierali na prvom mieste.

V prvom kroku tmavých reakcií sa CO2 viaže na päťuhlíkový derivát cukru nazývaný ribulóza-1,5-bisfosfát. Táto reakcia je katalyzovaná enzýmom ribulóza-1,5-bisfosfátkarboxyláza / oxygenáza, oveľa známejším ako Rubisco. Tento enzým je považovaný za najhojnejší proteín na svete, pretože je prítomný vo všetkých rastlinách, ktoré prechádzajú fotosyntézou.

Tento šesťuhlíkový medziprodukt je nestabilný a štiepi sa na dvojicu trojuhlíkových molekúl nazývaných fosfoglycerát. Tieto sa potom fosforylujú kinázovým enzýmom za vzniku 1,3-bisfosfoglycerátu. Táto molekula sa potom prevedie na glyceraldehyd-3-fosfát (G3P), čím sa uvoľnia molekuly fosfátu a spotrebuje sa NAPDH odvodený zo svetelných reakcií.

G3P vytvorený v týchto reakciách sa potom môže dať do mnohých rôznych dráh, ktorých výsledkom je pri tvorbe glukózy, aminokyselín alebo lipidov v závislosti od konkrétnych potrieb rastliny bunky. Rastliny tiež syntetizujú polyméry glukózy, ktoré v ľudskej strave prispievajú škrobom a vlákninou.