Enzymaktivitet i fotosyntes

Fotosyntes kan försvaras som den viktigaste reaktionen i hela biologin. Undersök alla livsmedel eller energiflöden i världen, och du kommer att upptäcka att det i slutändan är beroende av energi från solen för de ämnen som upprätthåller organismerna däri. Djur är beroende av både de kolbaserade näringsämnena (kolhydraterna) och det syre som fotosyntesen genererar, för även djur som får all sin näring genom att byta på andra djur slutar äta organismer som de själva lever mest eller uteslutande på växter.

Från fotosyntes strömmar alltså alla andra processer för energiutbyte som observerats i naturen. Liksom glykolys och reaktionerna från cellulär andning har fotosyntes en mängd steg, enzymer och unika aspekter att tänka på och förstå roller som de specifika katalysatorerna för fotosyntes spelar i vad som motsvarar omvandlingen av ljus och gas till mat är avgörande för att behärska grundläggande biokemi.

Fotosyntes hade något att göra med produktionen av det sista du åt, vad det än var. Om det var växtbaserat är anspråket enkelt. Om det var en hamburgare kom köttet nästan säkert från ett djur som själv levde nästan helt på växter. Tittade något annorlunda, om solen skulle stänga av sig i dag utan att få världen att svalna, vilket skulle leda till att växterna blev knappa, skulle världens livsmedelsförsörjning snart försvinna; växter, som helt klart inte är rovdjur, ligger längst ner i alla livsmedelskedjor.

Fotosyntes är traditionellt uppdelad i ljusreaktionerna och de mörka reaktionerna. Båda reaktionerna i fotosyntes spelar kritiska roller; de förstnämnda förlitar sig på närvaron av solljus eller annan ljusenergi, medan den senare inte är beroende av produkterna från ljusreaktionen för att ha substrat att arbeta med. I ljusreaktionerna görs de energimolekyler som växten behöver för att sätta ihop kolhydrater, medan kolhydratsyntesen i sig gör de mörka reaktionerna. Detta liknar på vissa sätt aerob andning, där Krebs cyklar, men inte en viktig direkt källa till ATP (adenosintrifosfat, "energivaluta" av alla celler), genererar en hel del mellanliggande molekyler som driver skapandet av en hel del ATP i den efterföljande elektrontransportkedjan reaktioner.

Det kritiska elementet i växter som gör att de kan genomföra fotosyntes är klorofyll, ett ämne som finns i unika strukturer som kallas kloroplaster.

Nätreaktionen av fotosyntes är faktiskt väldigt enkel. Det står att koldioxid och vatten, i närvaro av ljusenergi, omvandlas till glukos och syre under processen.

6 CO₂ + ljus + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Den totala reaktionen är en summa av ljusreaktioner och den mörka reaktioner av fotosyntes:

Ljusreaktioner:12 H₂O + ljus → O₂ + 24 H⁺ + 24e⁻

Mörka reaktioner:6CO₂ + 24 H⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

Kort sagt, ljusreaktionerna använder solljus för att skrämma upp elektroner som växten sedan kanaliserar till mat (glukos). Hur detta sker i praktiken har studerats väl och är ett bevis på miljarder år av biologisk utveckling.

En vanlig missuppfattning bland människor som studerar biovetenskap är att fotosyntes helt enkelt är cellulär andning i omvänd riktning. Detta är förståeligt med tanke på att nätreaktionen av fotosyntes ser ut som cellulär andning - från och med glykolys och slutar med de aeroba processerna (Krebs-cykeln och elektrontransportkedjan) i mitokondrier - körs exakt i omvänd.

Reaktionerna som omvandlar koldioxid till glukos vid fotosyntes är dock mycket annorlunda än de som används för att minska glukos ned till koldioxid i cellulär andning. Växter, kom ihåg, använder också cellulär andning. Kloroplaster är inte "växternas mitokondrier"; växter har också mitokondrier.

Tänk på fotosyntes som något som händer främst för att växter inte har munnar, men ändå litar på att bränna glukos som näringsämne för att göra sitt eget bränsle. Om växter inte kan få i sig glukos men ändå kräver en stadig leverans av det, måste de göra det till synes omöjliga och göra det själva. Hur gör växter mat? De använder externt ljus för att driva små kraftverk inuti dem för att göra det. Att de kan göra det beror till stor del på hur de faktiskt är strukturerade.

Strukturer som har mycket yta i förhållande till sin massa är väl positionerade för att fånga en hel del av solljuset som passerar deras väg. Det är därför växter har löv. Det faktum att löv tenderar att vara den grönaste delen av växter är resultatet av tätheten av klorofyll i löv, eftersom det är här arbetet med fotosyntes görs.

Bladen har utvecklat porer i sina ytor som kallas stomata (singular: stomi). Dessa öppningar är det sätt på vilket bladet kan styra in- och utgången av CO₂, som behövs för fotosyntes, och O₂, som är en avfallsprodukt från processen. (Det är kontraintuitivt att tänka på syre som avfall, men i denna inställning är det strängt taget det.)

Dessa stomata hjälper också bladet att reglera vatteninnehållet. När det finns rikligt med vatten är bladen styvare och "uppblåsta" och stomatorna tenderar att förbli stängda. Omvänt, när vattnet är knappt, öppnar stomata i ett försök att hjälpa bladet att närma sig.

Växtceller är eukaryota celler, vilket betyder att de har både de fyra strukturerna som är gemensamma för alla celler (DNA, ett cellmembran, cytoplasma och ribosomer) och ett antal specialiserade organeller. Växtceller har, till skillnad från djur och andra eukaryota celler, cellväggar, som bakterier gör men konstruerade med olika kemikalier.

Växtceller har också kärnor och deras organeller inkluderar mitokondrier, endoplasmatisk retikulum, Golgi-kroppar, ett cytoskelett och vakuoler. Men den kritiska skillnaden mellan växtceller och andra eukaryota celler är att växtceller innehåller kloroplaster.

Inom växtceller finns organeller som kallas kloroplaster. Liksom mitokondrier antas dessa ha införlivats i eukaryota organismer relativt tidigt i utvecklingen av eukaryoter, med den enhet som är avsedd att bli en kloroplast som sedan existerar som en fristående fotosyntes som utför prokaryot.

Kloroplasten, som alla organeller, är omgiven av ett dubbelt plasmamembran. Inom detta membran finns stroma, som fungerar ungefär som cytoplasman hos kloroplaster. Även inom kloroplasterna finns kroppar som kallas tylakoid, som är ordnade som myntstaplar och inneslutna av ett eget membran.

Klorofyll anses vara "pigmentet av fotosyntes, men det finns flera olika typer av klorofyll, och pigment annat än klorofyll deltar också i fotosyntes. Det viktigaste pigmentet som används vid fotosyntes är klorofyll A. Vissa pigment som inte är klorofyll som deltar i fotosyntetiska processer är röda, bruna eller blåa.

Ljusreaktionerna av fotosyntes använder ljusenergi för att förskjuta väteatomer från vattenmolekyler, med dessa väteatomer, som drivs av elektronflöde som i slutändan frigörs av inkommande ljus, används för att syntetisera NADPH och ATP, som behövs för den efterföljande mörkret reaktioner.

Ljusreaktionerna inträffar på tylakoidmembranet, inuti kloroplasten, inuti växtcellen. De kommer igång när ljus träffar ett protein-klorofyllkomplex kallat fotosystem II (PSII). Detta enzym är det som frigör väteatomerna från vattenmolekyler. Syret i vattnet är sedan fritt och elektronerna som frigörs i processen fästs till en molekyl som kallas plastokinol och förvandlar den till plastokinon. Denna molekyl överför i sin tur elektronerna till ett enzymkomplex som kallas cytokrom b6f. Denna ctyb6f tar elektronerna från plastokinon och flyttar dem till plastocyanin.

Vid denna punkt, fotosystem I (PSI) får jobbet. Detta enzym tar elektronerna från plastocyanin och fäster dem till en järnhaltig förening som kallas ferredoxin. Slutligen ett enzym som kallas ferredoxin – NADP⁺reduktas (FNR) för att skapa NADPH från NADP⁺. Du behöver inte memorera alla dessa föreningar, men det är viktigt att ha en känsla av den kaskad, "överlämnande" karaktären av de inblandade reaktionerna.

Dessutom, när PSII frigör väte från vatten för att driva ovanstående reaktioner, tenderar en del av detta väte att lämna thylakoid för stroma, ner i dess koncentrationsgradient. Tylakoidmembranet utnyttjar detta naturliga utflöde genom att använda det för att driva en ATP-syntaspump i membranet, som fäster fosfatmolekyler till ADP (adenosindifosfat) för att göra ATP.

De mörka reaktionerna av fotosyntes heter så för att de inte förlitar sig på ljus. De kan dock förekomma när ljus är närvarande, så ett mer exakt, om mer besvärligt namn är "ljusoberoende reaktioner. "För att rensa upp frågorna är de mörka reaktionerna tillsammans också kända som Calvin cykel.

Tänk dig att när du andas in luft i lungorna kan koldioxiden i den luften komma in i din celler, som sedan skulle använda den för att göra samma ämne som är resultatet av att din kropp bryter ner maten du äta. Faktum är att på grund av detta skulle du aldrig behöva äta alls. Detta är i huvudsak livet för en växt som använder CO₂ den samlas från miljön (som till stor del finns som ett resultat av de metaboliska processerna för andra eukaryoter) för att göra glukos, som den antingen lagrar eller bränner för sina egna behov.

Du har redan sett att fotosyntes börjar med att slå väteatomer fritt från vatten och använda energin från dessa atomer för att göra lite NADPH och lite ATP. Men hittills har det inte nämnts någon annan inmatning i fotosyntes, CO2. Nu får du se varför allt detta NADPH och ATP skördades i första hand.

I det första steget av de mörka reaktionerna är CO2 fäst till ett sockerderivat med fem kol som kallas ribulosa 1,5-bisfosfat. Denna reaktion katalyseras av enzymet ribulosa-1,5-bisfosfatkarboxylas / oxygenas, mycket mer minnesvärt känt som Rubisco. Detta enzym antas vara det vanligaste proteinet i världen, med tanke på att det finns i alla växter som genomgår fotosyntes.

Denna sexkolmellanprodukt är instabil och delas i ett par trekolmolekyler som kallas fosfoglycerat. Dessa fosforyleras sedan av ett kinasenzym för att bilda 1,3-bisfosfoglycerat. Denna molekyl omvandlas sedan till glyceraldehyd-3-fosfat (G3P), vilket frigör fosfatmolekyler och konsumerar NAPDH härrörande från ljusreaktionerna.

G3P som skapats i dessa reaktioner kan sedan placeras i ett antal olika vägar, vilket resulterar i bildandet av glukos, aminosyror eller lipider, beroende på växtens specifika behov celler. Växter syntetiserar också polymerer av glukos som i den mänskliga kosten bidrar med stärkelse och fiber.