Aktivnost encimov v fotosintezi

Fotosintezo lahko označimo za najpomembnejšo reakcijo v celotni biologiji. Preučite kateri koli živilski splet ali sistem pretoka energije na svetu in ugotovili boste, da se na koncu zanaša na energijo sonca za snovi, ki vzdržujejo organizme v njem. Živali se zanašajo na hranila na osnovi ogljika (ogljikovi hidrati) in kisik, ki ga tvori fotosinteza, saj tudi živali ki se v celoti prehranjujejo s plenilom drugih živali, in se prehranjujejo z organizmi, ki živijo večinoma ali izključno na njih rastlin.

Iz fotosinteze tako izvirajo vsi drugi procesi izmenjave energije, ki jih opazimo v naravi. Tako kot glikoliza in reakcije celičnega dihanja ima tudi fotosinteza vrsto korakov, encimov in edinstvene vidike, ki jih je treba upoštevati, in razumevanje vloge, ki jo imajo specifični katalizatorji fotosinteze pri pretvorbi svetlobe in plina v hrano, je ključnega pomena za obvladovanje osnovnih biokemije.

Fotosinteza je imela nekaj skupnega s produkcijo zadnje stvari, ki ste jo pojedli, ne glede na to. Če je bil rastlinski, je trditev enostavna. Če je šlo za hamburger, je meso skoraj zagotovo prišlo od živali, ki se je skoraj v celoti prehranjevala z rastlinami. Če pogledamo nekoliko drugače, če bi se sonce danes izklopilo, ne da bi se svet ohladil, kar bi povzročilo, da bi rastline postale redke, zaloga hrane na svetu kmalu izginila; rastline, ki očitno niso plenilci, so na samem dnu katere koli prehranjevalne verige.

Fotosintezo tradicionalno delimo na svetlobne in temne reakcije. Obe reakciji pri fotosintezi igrata kritični vlogi; prvi se zanašajo na prisotnost sončne svetlobe ali druge svetlobne energije, drugi pa niso odvisni od produktov svetlobne reakcije, da imajo podlago za delo. V svetlobnih reakcijah nastanejo energijske molekule, ki jih rastlina potrebuje za sestavljanje ogljikovih hidratov, medtem ko sama sinteza ogljikovih hidratov prihaja do temnih reakcij. To je na nek način podobno aerobnemu dihanju, kjer Krebsov cikel, čeprav ni glavni neposredni vir ATP (adenozin trifosfat, "energijska valuta" vseh celic) ustvarja veliko vmesnih molekul, ki poganjajo nastanek velike količine ATP v nadaljnji verigi prenosa elektronov reakcije.

Ključni element v rastlinah, ki jim omogoča fotosintezo, je klorofil, snov, ki jo najdemo v edinstvenih strukturah, imenovanih kloroplasti.

Neto reakcija fotosinteze je pravzaprav zelo preprosta. Navaja, da ogljikov dioksid in voda se ob prisotnosti svetlobne energije med postopkom pretvorita v glukozo in kisik.

6 CO₂ + svetloba + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O.₂

Celotna reakcija je vsota svetlobne reakcije in temne reakcije fotosinteze:

Svetlobne reakcije:12 H₂O + luč → O₂ + 24 H⁺ + 24e⁻

Temne reakcije:6CO₂ + 24 H⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

Skratka, svetlobne reakcije s sončno svetlobo prestrašijo elektrone, ki jih rastlina nato usmeri v proizvodnjo hrane (glukoze). Kako se to dogaja v praksi, je bilo dobro preučeno in priča milijardam let biološkega razvoja.

Pogosta napačna predstava ljudi, ki preučujejo vede o življenju, je, da je fotosinteza preprosto celično dihanje v obratni smeri. To je razumljivo, saj je neto reakcija fotosinteze videti tako kot celično dihanje - začenši z glikoliza in konča z aerobnimi procesi (Krebsov cikel in veriga prenosa elektronov) v mitohondrijih - potekajo natančno v vzvratno.

Reakcije, ki preoblikujejo ogljikov dioksid v glukozo pri fotosintezi, pa so precej drugačne kot tiste, ki se uporabljajo za zmanjšanje glukoze nazaj v ogljikov dioksid v celičnem dihanju. Rastline, ne pozabite, uporabljajo tudi celično dihanje. Kloroplasti niso "mitohondriji rastlin"; rastline imajo tudi mitohondrije.

Fotosintezo si predstavljajte kot nekaj, kar se zgodi predvsem zato, ker rastline nimajo ust, a se kljub temu zanašajo na izgorevanje glukoze kot hranila za izdelavo lastnega goriva. Če rastline še ne morejo zaužiti glukoze, vendar še vedno potrebujejo stalno oskrbo z njo, potem morajo na videz nemogoče in si jo narediti same. Kako rastline naredijo hrano? Za to uporabljajo zunanjo svetlobo, da v njih poganjajo drobne elektrarne. Da to lahko storijo, je v veliki meri odvisno od njihove dejanske strukture.

Strukture, ki imajo glede na svojo maso veliko površino, so dobro nameščene tako, da zajemajo veliko sončne svetlobe, ki gre mimo njih. Rastline imajo zato liste. Dejstvo, da so listi ponavadi najbolj zeleni del rastlin, je posledica gostote klorofila v listih, saj tu poteka fotosinteza.

Listi imajo na svojih površinah razvite pore, imenovane stoma (ednina: stoma). Te odprtine so sredstvo, s katerim lahko list nadzoruje vstop in izstop CO₂, ki je potrebna za fotosintezo, in O₂, ki je odpadni produkt postopka. (Protislovno je, da kisik mislimo kot odpadek, toda v tem okolju je to, kar je.)

Te ožilje tudi pomagajo listu uravnavati vsebnost vode. Ko je vode veliko, so listi bolj toga in "napihnjeni", ožilje pa nagnjeno k temu, da ostane zaprto. Nasprotno pa se pri pomanjkanju vode stomate odprejo, da bi si pomagale, da se list nahrani.

Rastlinske celice so evkariontske celice, kar pomeni, da imajo tako štiri strukture, ki so skupne vsem celicam (DNA, celična membrana, citoplazma in ribosomi) in številne specializirane organele. Rastlinske celice pa imajo za razliko od živalskih in drugih evkariontskih celic celične stene, tako kot bakterije, vendar so zgrajene z uporabo različnih kemikalij.

Rastlinske celice imajo tudi jedra, njihovi organeli pa vključujejo mitohondrije, endoplazemski retikulum, Golgijeva telesa, citoskelet in vakuole. Toda kritična razlika med rastlinskimi celicami in drugimi evkariontskimi celicami je v tem, da rastlinske celice vsebujejo kloroplasti.

Znotraj rastlinskih celic so organele, imenovane kloroplasti. Tako kot mitohondriji naj bi bili tudi ti vključeni v evkariontske organizme razmeroma zgodaj v času razvoja evkarionti, pri čemer je entiteta namenjena postati kloroplast, ki je takrat obstajala kot samostojna fotosinteza, ki izvaja prokariot.

Kloroplast je tako kot vsi organeli obdan z dvojno plazemsko membrano. Znotraj te membrane je stroma, ki deluje nekako tako kot citoplazma kloroplastov. Tudi znotraj kloroplastov so telesa, imenovana tilakoidi, ki so razporejena kot svežnji kovancev in so zaprta z lastno membrano.

Klorofil velja za "pigment fotosinteze, vendar obstaja več različnih vrst klorofila, pri fotosintezi pa sodeluje tudi pigment, ki ni klorofil. Glavni pigment, ki se uporablja pri fotosintezi, je klorofil A. Nekateri neklorofilni pigmenti, ki sodelujejo v fotosintetskih procesih, so rdeče, rjave ali modre barve.

Svetlobne reakcije fotosinteze uporabljajo svetlobno energijo za izpodrivanje atomov vodika iz molekul vode s temi vodikovimi atomi, ki jih poganja tok elektronov, ki se na koncu sprosti s prihajajočo svetlobo in se uporablja za sintezo NADPH in ATP, ki sta potrebna za nadaljnjo temo reakcije.

Svetlobne reakcije se pojavijo na tilakoidni membrani, znotraj kloroplasta, znotraj rastlinske celice. Začnejo se, ko svetloba udari v beljakovinsko-klorofilni kompleks, imenovan fotosistem II (PSII). Ta encim sprošča atome vodika iz molekul vode. V vodi je nato kisik prost, elektroni, ki se sprostijo pri tem, pa so pritrjeni na molekulo, imenovano plastokinol, in jo spremenijo v plastokinon. Ta molekula nato elektrone prenaša v encimski kompleks, imenovan citokrom b6f. Ta ctyb6f vzame elektrone iz plastokinona in jih premakne v plastocianin.

Na tej točki, fotosistem I (PSI) dobi službo. Ta encim odvzame elektrone iz plastocianina in jih pritrdi na spojino, ki vsebuje železo, imenovano ferredoksin. Končno, encim, imenovan ferredoksin – NADP⁺reduktaze (FNR), da iz NADP dobimo NADPH⁺. Vseh teh spojin vam ni treba zapomniti, vendar je pomembno, da imate občutek za kaskadno naravo "oddajanja" vpletenih reakcij.

Tudi ko PSII sprošča vodik iz vode, da napaja zgoraj navedene reakcije, nekateri od tega vodika ponavadi želijo zapustiti tilakoid v stromo, navzdol po njegovem koncentracijskem gradientu. Tilakoidna membrana izkoristi ta naravni odtok, tako da z njo napaja črpalko ATP sintaze v membrani, ki molekule fosfata veže na ADP (adenozin difosfat), da tvori ATP.

Temne reakcije fotosinteze so tako poimenovane, ker se ne zanašajo na svetlobo. Lahko pa se pojavijo, ko je prisotna svetloba, zato je natančnejše, če je bolj okorno, ime "svetlobno neodvisne reakcije"Da bi stvari še razjasnili, so temne reakcije skupaj znane tudi kot Calvinov cikel.

Predstavljajte si, da bi pri vdihavanju zraka v pljuča ogljikov dioksid v tem zraku lahko prodrl v vas celic, ki bi jo nato uporabile za izdelavo iste snovi, ki nastane pri razgradnji vaše hrane jejte. Pravzaprav vam zaradi tega sploh nikoli ne bi bilo treba jesti. To je v bistvu življenje rastline, ki uporablja CO₂ iz okolja (ki je večinoma posledica presnovnih procesov drugih evkariontov) se zbere, da tvori glukozo, ki jo nato shrani ali sežge za lastne potrebe.

Že ste videli, da se fotosinteza začne tako, da se atomi vodika izločijo iz vode in se energija teh atomov uporabi za tvorbo NADPH in ATP. Toda do zdaj še ni bilo omenjeno drugega vnosa v fotosintezo, CO2. Zdaj boste videli, zakaj je bil ves ta NADPH in ATP nabran sploh.

V prvem koraku temnih reakcij se CO2 veže na petogljični derivat sladkorja, imenovan ribuloza 1,5-bisfosfat. To reakcijo katalizira encim ribuloza-1,5-bisfosfat karboksilaza / oksigenaza, veliko bolj nepozabno znan kot Rubisco. Ta encim naj bi bil največ beljakovin na svetu, saj je prisoten v vseh rastlinah, ki so podvržene fotosintezi.

Ta šest-ogljikov intermediat je nestabilen in se razdeli v par molekul s tremi ogljiki, imenovanimi fosfoglicerat. Nato jih encim kinaze fosforilira, da nastane 1,3-bisfosfoglicerat. Ta molekula se nato pretvori v gliceraldehid-3-fosfat (G3P), sprosti molekule fosfata in porabi NAPDH, pridobljen iz svetlobnih reakcij.

G3P, ustvarjen v teh reakcijah, se lahko nato postavi na več različnih poti, kar ima za posledico pri tvorbi glukoze, aminokislin ali lipidov, odvisno od posebnih potreb rastline celic. Rastline sintetizirajo tudi polimere glukoze, ki v človeški prehrani prispevajo škrob in vlaknine.