Активност ензима у фотосинтези

Фотосинтеза се може обрањиво означити као најважнија реакција у целој биологији. Испитајте било коју мрежну мрежу или систем протока енергије на свету и открићете да се на крају ослања на енергију сунца за супстанце које одржавају организме у њима. Животиње се ослањају и на хранљиве састојке на бази угљеника (угљене хидрате) и на кисеоник који фотосинтеза генерише, јер чак и животиње који се прехрањују пленом других животиња, наједајући организме који и сами углавном или искључиво живе од тога биљке.

Из фотосинтезе тако произилазе сви остали процеси размене енергије уочени у природи. Попут гликолизе и реакција ћелијског дисања, фотосинтеза има низ корака, ензима и јединствене аспекте које треба размотрити и разумевање улога коју специфични катализатори фотосинтезе играју у ономе што представља конверзију светлости и гаса у храну је пресудна за савладавање основних биохемија.

Фотосинтеза је имала неке везе са стварањем последњег што сте појели, шта год да је то било. Ако је биљни, захтев је једноставан. Ако је реч о хамбургеру, месо готово сигурно потиче од животиње која је и сама готово у потпуности издржавала биљке. Посматрано другачије, ако би се сунце данас затворило, а да се свет не охлади, што би довело до оскудности биљака, светска залиха хране ускоро би нестала; биљке, које очито нису предатори, налазе се на самом дну било ког ланца исхране.

Фотосинтеза се традиционално дели на светлосне и тамне реакције. Обе реакције у фотосинтези играју критичне улоге; први се ослањају на присуство сунчеве светлости или друге светлосне енергије, док други не зависе већ од производа светлосне реакције да би имали подлогу за рад. У светлосним реакцијама настају енергетски молекули који биљци требају да сакупе угљене хидрате, док сама синтеза угљених хидрата долази до тамних реакција. Ово је на неки начин слично аеробном дисању, где Кребсов циклус, иако није главни директни извор АТП (аденозин трифосфат, „енергетска валута“ свих ћелија), генерише велику количину интермедијерних молекула који покрећу стварање велике количине АТП-а у следећем ланцу транспорта електрона реакције.

Критични елемент у биљкама који им омогућава да спроводе фотосинтезу је хлорофил, супстанца која се налази у јединственим структурама тзв хлоропласти.

Нето реакција фотосинтезе је заправо врло једноставна. У њему се наводи да угљен-диоксид и вода, у присуству светлосне енергије, током процеса се претварају у глукозу и кисеоник.

6 ЦО₂ + светлост + 6 Х.₂О → Ц.₆Х.₁₂О.₆ + 6 О.₂

Укупна реакција је збир светлосне реакције и мрачне реакције фотосинтезе:

Светлосне реакције:12 Х.₂О + светло → О.₂ + 24 Х.⁺ + 24е⁻

Мрачне реакције:6ЦО₂ + 24 Х.⁺ + 24 е⁻ → Ц.₆Х.₁₂О.₆ + 6 Х.₂О.

Укратко, светлосне реакције користе сунчеву светлост да уплаше електроне које биљка потом каналише у производњу хране (глукозе). Како се то догађа у пракси, добро је проучено и сведочи о милијардама година биолошке еволуције.

Уобичајена заблуда међу људима који проучавају науке о животу је да је фотосинтеза једноставно ћелијско дисање обрнуто. То је разумљиво, с обзиром на то да нето реакција фотосинтезе изгледа баш попут ћелијског дисања - почев од гликолиза и завршавајући се аеробним процесима (Кребсов циклус и ланац транспорта електрона) у митохондријима - воде се управо у обрнуто.

Реакције које трансформишу угљен-диоксид у глукозу у фотосинтези су, међутим, далеко другачије од оних које се користе за смањивање глукозе назад у угљен-диоксид у ћелијском дисању. Биљке, имајте на уму, такође користе ћелијско дисање. Хлоропласти нису „митохондрији биљака“; биљке имају и митохондрије.

Замишљајте фотосинтезу као нешто што се дешава углавном зато што биљке немају уста, а ипак се ослањају на сагоревање глукозе као хранљиве материје како би произвеле сопствено гориво. Ако биљке још увек не могу да уносе глукозу, и даље јој је потребно стално осигурати, онда морају да учине наизглед немогуће и направе је саме. Како биљке праве храну? Они користе спољно светло да би покренули сићушне електране у њима. Да то могу учинити, у великој мери зависи од тога како су заправо структурирани.

Структуре које имају велику површину у односу на своју масу добро су позициониране да ухвате велику количину сунчеве светлости која пролази кроз њихов пут. Због тога биљке имају лишће. Чињеница да су листови најчешће најзеленији део биљака резултат је густине хлорофила у листовима, јер се ту обавља посао фотосинтезе.

Лишће је на својим површинама развило поре зване стомати (једнина: стома). Ови отвори су средство помоћу којег лист може да контролише улазак и излазак ЦО₂, који је потребан за фотосинтезу, и О.₂, што је отпадни производ од процеса. (Противунучно је сматрати кисеоник отпадом, али у овом окружењу, строго говорећи, то је то.)

Ови стомати такође помажу листу да регулише садржај воде. Када је воде у изобиљу, листови су крутији и „надувени“, а стомати су склони да остану затворени. Супротно томе, када је воде мало, стомати се отварају настојећи да помогну листу да се негује.

Биљне ћелије су еукариотске ћелије, што значи да имају обе четири структуре заједничке свим ћелијама (ДНК, ћелијска мембрана, цитоплазма и рибосоми) и бројне специјализоване органеле. Биљне ћелије, међутим, за разлику од животињских и других еукариотских ћелија, имају ћелијске зидове, попут бактерија, али конструисане од различитих хемикалија.

Биљне ћелије такође имају језгра, а њихови органели укључују митохондрије, ендоплазматски ретикулум, Голгијева тела, цитоскелет и вакуоле. Али критична разлика између биљних ћелија и других еукариотских ћелија је у томе што биљне ћелије садрже хлоропласти.

Унутар биљних ћелија налазе се органеле зване хлоропласти. Попут митохондрија, верује се да су и они уграђени у еукариотске организме релативно рано током еволуције еукариоти, са ентитетом који је предодређен да постане хлоропласт, који је тада постојао као самостојећи фотосинтеза који изводи прокариота.

Хлоропласт је, као и све органеле, окружен двоструком плазма мембраном. Унутар ове мембране налази се строма, која функционише отприлике попут цитоплазме хлоропласта. Такође у хлоропластима се налазе тела која се називају тилакоиди, а која су распоређена попут снопова новчића и затворена сопственом мембраном.

Хлорофил се сматра „пигментом фотосинтезе, али постоји неколико различитих врста хлорофила, а у фотосинтези учествује и пигмент који није хлорофил. Главни пигмент који се користи у фотосинтези је хлорофил А. Неки не-хлорофилни пигменти који учествују у фотосинтетским процесима су црвене, смеђе или плаве боје.

Светлосне реакције фотосинтезе користе светлосну енергију за премештање атома водоника из молекула воде, са овим атомима водоника, напајаним од проток електрона који се на крају ослобађа долазном светлошћу, а користи се за синтезу НАДПХ и АТП, потребних за следећи мрак реакције.

Светлосне реакције се јављају на тилакоидној мембрани, унутар хлоропласта, унутар биљне ћелије. Они започињу када светлост удари у протеин-хлорофилни комплекс тзв фотосистем ИИ (ПСИИ). Овај ензим ослобађа атоме водоника из молекула воде. Кисеоник у води је тада слободан, а електрони ослобођени у том процесу прикачени су за молекул зван пластокинол, претварајући га у пластокинон. Овај молекул заузврат преноси електроне у ензимски комплекс назван цитокром б6ф. Овај цтиб6ф узима електроне из пластокинона и премешта их у пластоцијанин.

У овом тренутку, фотосистем И (ПСИ) добива посао. Овај ензим узима електроне из пластоцијанина и везује их за једињење које садржи гвожђе названо фередоксин. Коначно, ензим назван ферредоксин – НАДП⁺редуктаза (ФНР) за добијање НАДПХ од НАДП⁺. Не требате памтити сва ова једињења, али важно је имати осећај каскадне природе „предаје“ реакција.

Такође, када ПСИИ ослобађа водоник из воде за покретање горе наведених реакција, неки од тог водоника теже да напусте тилакоид за строму, ниже његов градијент концентрације. Тилакоидна мембрана искориштава овај природни одлив тако што га користи за напајање АТП синтазне пумпе у мембрани, која веже молекуле фосфата на АДП (аденозин дифосфат) да би створила АТП.

Тамне реакције фотосинтезе назване су тако јер се не ослањају на светлост. Међутим, могу се јавити када је присутна светлост, па је тачније, ако је и гломазније, име "реакције независне од светлости. "Да би се ствари даље разјасниле, мрачне реакције су такође познате и као Цалвинов циклус.

Замислите да би, када удишете ваздух у плућа, угљен-диоксид у том ваздуху могао продирати у вас ћелија, које би га затим користиле за прављење исте супстанце која настаје услед разградње ваше хране телом јести. У ствари, због овога никада не бисте морали да једете. Ово је у суштини живот биљке која користи ЦО₂ окупља се из околине (која је ту углавном као резултат метаболичких процеса других еукариота) да би направила глукозу, коју затим складишти или сагорева за своје потребе.

Већ сте видели да фотосинтеза започиње тако што се атоми водоника ослобађају воде и користи се енергија тих атома да би се створио НАДПХ и АТП. Али до сада није поменут други улаз у фотосинтезу, ЦО2. Сад ћете видети зашто је уопште сав тај НАДПХ и АТП пожњевен.

У првом кораку мрачних реакција, ЦО2 је везан за дериват шећера са пет угљеника који се назива рибулоза 1,5-бисфосфат. Ову реакцију катализује ензим рибулоза-1,5-бисфосфат карбоксилаза / оксигеназа, много памтљивији под називом Рубисцо. Сматра се да је овај ензим најзаступљенији протеин на свету, с обзиром на то да је присутан у свим биљкама које пролазе фотосинтезу.

Овај интермедијер са шест угљеника је нестабилан и дели се на пар молекула са три угљеника који се називају фосфоглицерат. Затим се ензимом киназе фосфорилују да би се добио 1,3-бисфосфоглицерат. Овај молекул се затим претвара у глицералдехид-3-фосфат (Г3П), ослобађајући молекуле фосфата и трошећи НАПДХ добијен из светлосних реакција.

Резултат је Г3П створен у овим реакцијама, а затим се може ставити на низ различитих путева у стварању глукозе, аминокиселина или липида, у зависности од специфичних потреба биљке ћелије. Биљке такође синтетишу полимере глукозе који у људској исхрани доприносе скробу и влакнима.