กิจกรรมของเอนไซม์ในการสังเคราะห์ด้วยแสง

การสังเคราะห์ด้วยแสงสามารถระบุได้อย่างชัดเจนว่าเป็นปฏิกิริยาที่สำคัญที่สุดในชีววิทยาทั้งหมด ตรวจสอบใยอาหารหรือระบบการไหลของพลังงานในโลก แล้วคุณจะพบว่าท้ายที่สุดแล้ว ใยอาหารต้องอาศัยพลังงานจากดวงอาทิตย์สำหรับสารที่ค้ำจุนสิ่งมีชีวิตในนั้น สัตว์พึ่งพาทั้งสารอาหารที่เป็นคาร์บอน (คาร์โบไฮเดรต) และออกซิเจนที่สังเคราะห์ด้วยแสงสร้างขึ้น เพราะแม้แต่สัตว์ ที่หล่อเลี้ยงอาหารทั้งหมดโดยการกินสัตว์อื่น ๆ กินสิ่งมีชีวิตที่ตัวเองอาศัยอยู่ส่วนใหญ่หรือเพียงลำพัง พืช

จากการสังเคราะห์ด้วยแสงจึงไหลกระบวนการอื่น ๆ ของการแลกเปลี่ยนพลังงานที่สังเกตพบในธรรมชาติ เช่นเดียวกับไกลโคไลซิสและปฏิกิริยาการหายใจของเซลล์ การสังเคราะห์ด้วยแสงมีหลายขั้นตอน เอนไซม์ และแง่มุมเฉพาะที่ควรพิจารณา และทำความเข้าใจ บทบาทที่ตัวเร่งปฏิกิริยาจำเพาะของการสังเคราะห์ด้วยแสงมีบทบาทในการแปลงแสงและก๊าซเป็นอาหารในปริมาณเท่าใดจึงมีความสำคัญต่อการเรียนรู้พื้นฐาน ชีวเคมี.

การสังเคราะห์ด้วยแสงมีส่วนเกี่ยวข้องกับการผลิตสิ่งสุดท้ายที่คุณกิน ไม่ว่าจะเป็นอะไรก็ตาม หากเป็นพืชเป็นหลัก การอ้างสิทธิ์นั้นตรงไปตรงมา หากเป็นแฮมเบอร์เกอร์ เนื้อเกือบจะมาจากสัตว์ที่เลี้ยงด้วยพืชเกือบทั้งหมด หากมองต่างไปจากเดิม ถ้าดวงอาทิตย์ปิดตัวเองในวันนี้โดยไม่ทำให้โลกเย็นลง ซึ่งจะทำให้พืชหายาก แหล่งอาหารของโลกก็จะหายไปในไม่ช้า พืช ซึ่งเห็นได้ชัดว่าไม่ใช่สัตว์กินพืช อยู่ด้านล่างสุดของห่วงโซ่อาหารใดๆ

การสังเคราะห์ด้วยแสงแบ่งออกเป็นปฏิกิริยาแสงและปฏิกิริยามืด ปฏิกิริยาทั้งสองในการสังเคราะห์แสงมีบทบาทสำคัญ แบบแรกอาศัยการมีอยู่ของแสงแดดหรือพลังงานแสงอื่น ๆ ในขณะที่อย่างหลังไม่ได้ขึ้นอยู่กับผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาแสงที่จะมีพื้นผิวที่จะใช้งานได้ ในปฏิกิริยาแสง โมเลกุลพลังงานที่พืชต้องการเพื่อประกอบเป็นคาร์โบไฮเดรต ในขณะที่การสังเคราะห์คาร์โบไฮเดรตเองก็เกิดปฏิกิริยามืด สิ่งนี้คล้ายกันในบางวิธีกับการหายใจแบบใช้ออกซิเจน ซึ่งวงจร Krebs แม้ว่าจะไม่ใช่แหล่ง ATP โดยตรงที่สำคัญ (adenosine triphosphate ซึ่งเป็น "สกุลเงินพลังงาน" ของเซลล์ทั้งหมด) สร้างโมเลกุลระดับกลางจำนวนมากที่ขับเคลื่อนการสร้าง ATP จำนวนมากในห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนที่ตามมา ปฏิกิริยา

องค์ประกอบที่สำคัญในพืชที่ช่วยให้สังเคราะห์แสงได้คือ คลอโรฟิลล์สารที่พบในโครงสร้างเฉพาะที่เรียกว่า คลอโรพลาสต์.

ปฏิกิริยาสุทธิของการสังเคราะห์ด้วยแสงนั้นง่ายมาก ระบุว่า คาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ เมื่อมีพลังงานแสง จะถูกแปลงเป็นกลูโคสและออกซิเจนในระหว่างกระบวนการ.

6 CO₂ + แสง + 6 ชั่วโมง₂O → C₆โฮ₁₂โอ₆ + 6 โอ₂

ปฏิกิริยาโดยรวมเป็นผลรวมของ ปฏิกิริยาแสง และ ปฏิกิริยามืด ของการสังเคราะห์ด้วยแสง:

ปฏิกิริยาแสง:12 ชั่วโมง₂O + แสง → O₂ + 24 ชั่วโมง⁺ + 24e⁻

ปฏิกิริยามืด:6CO₂ + 24 ชั่วโมง⁺ + 24 อี⁻ → C₆โฮ₁₂โอ₆ + 6 ชั่วโมง₂โอ

กล่าวโดยสรุป ปฏิกิริยาของแสงใช้แสงแดดเพื่อทำให้อิเลคตรอนแตกตื่น จากนั้นพืชจะไหลไปสู่การผลิตอาหาร (กลูโคส) วิธีการนี้เกิดขึ้นในทางปฏิบัติได้รับการศึกษาเป็นอย่างดีและเป็นข้อพิสูจน์ถึงวิวัฒนาการทางชีววิทยาหลายพันล้านปี

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยในหมู่คนที่ศึกษาวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิตคือการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นเพียงการหายใจของเซลล์ในแบบย้อนกลับ เป็นเรื่องที่เข้าใจได้ เนื่องจากปฏิกิริยาสุทธิของการสังเคราะห์ด้วยแสงดูเหมือนกับการหายใจระดับเซลล์ โดยเริ่มด้วย glycolysis และสิ้นสุดด้วยกระบวนการแอโรบิก (วงจร Krebs และห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน) ในไมโตคอนเดรีย – ทำงานอย่างแม่นยำใน ย้อนกลับ

อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาที่เปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นกลูโคสในการสังเคราะห์ด้วยแสงนั้นแตกต่างกันมาก มากกว่าปฏิกิริยาที่ใช้ในการลดน้ำตาลกลูโคสกลับไปเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ในการหายใจระดับเซลล์ พืช พึงระลึกไว้เสมอว่า ยังใช้ประโยชน์จากการหายใจระดับเซลล์ คลอโรพลาสต์ไม่ใช่ "ไมโตคอนเดรียของพืช"; พืชก็มีไมโตคอนเดรียเช่นกัน

คิดว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นส่วนใหญ่เนื่องจากพืชไม่มีปาก แต่ยังคงอาศัยการเผาผลาญกลูโคสเป็นสารอาหารเพื่อสร้างเชื้อเพลิงเอง หากพืชไม่สามารถกินกลูโคสเข้าไปได้ แต่ยังคงต้องการน้ำตาลในปริมาณที่สม่ำเสมอ พวกเขาจะต้องทำสิ่งที่ดูเหมือนเป็นไปไม่ได้และสร้างขึ้นมาเอง พืชสร้างอาหารได้อย่างไร? พวกเขาใช้แสงภายนอกเพื่อขับเคลื่อนโรงไฟฟ้าขนาดเล็กภายในเพื่อทำ สิ่งที่พวกเขาสามารถทำได้นั้นขึ้นอยู่กับขอบเขตของโครงสร้างที่แท้จริง

โครงสร้างที่มีพื้นที่ผิวมากซึ่งสัมพันธ์กับมวลของโครงสร้างนั้นอยู่ในตำแหน่งที่ดีในการเก็บแสงแดดที่ส่องผ่านเข้ามาได้มาก นี่คือสาเหตุที่พืชมีใบ ความจริงที่ว่าใบมักจะเป็นส่วนที่เขียวขจีที่สุดของพืชเป็นผลมาจากความหนาแน่นของคลอโรฟิลล์ในใบเนื่องจากเป็นที่ทำงานของการสังเคราะห์ด้วยแสง

ใบมีรูพรุนบนพื้นผิวที่เรียกว่า stomata (เอกพจน์: stoma) รูเหล่านี้เป็นวิธีที่ใบไม้สามารถควบคุมการเข้าและออกของCO₂ซึ่งจำเป็นสำหรับการสังเคราะห์แสง และ O₂ซึ่งเป็นของเสียจากกระบวนการ (เป็นการขัดกับสัญชาตญาณที่จะคิดว่าออกซิเจนเป็นของเสีย แต่ในสภาวะนี้ พูดอย่างเคร่งครัด นั่นคือสิ่งที่มันเป็น)

ปากใบเหล่านี้ยังช่วยควบคุมปริมาณน้ำของใบไม้อีกด้วย เมื่อน้ำมีมาก ใบไม้จะแข็งและ "พองตัว" มากขึ้นและปากใบจะเอียงปิด ในทางกลับกัน เมื่อน้ำมีน้อย ปากใบก็เปิดออกเพื่อพยายามช่วยให้ใบหล่อเลี้ยงตัวมันเอง

เซลล์พืชเป็นเซลล์ยูคาริโอต ซึ่งหมายความว่าพวกมันมีทั้งสี่โครงสร้างที่เหมือนกันกับทุกเซลล์ (DNA, เยื่อหุ้มเซลล์, ไซโทพลาซึมและไรโบโซม) และออร์แกเนลล์พิเศษจำนวนหนึ่ง อย่างไรก็ตาม เซลล์พืชแตกต่างจากเซลล์สัตว์และเซลล์ยูคาริโอตอื่นๆ ตรงที่มีผนังเซลล์ เช่นเดียวกับแบคทีเรียที่สร้างแต่ใช้สารเคมีต่างกัน

เซลล์พืชยังมีนิวเคลียสและออร์แกเนลล์ของพวกมันรวมถึงไมโทคอนเดรีย เอนโดพลาสมิกเรติคิวลัม ร่างกายกอลจิ โครงร่างโครงร่างและแวคิวโอล แต่ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเซลล์พืชและเซลล์ยูคาริโอตอื่นๆ คือ เซลล์พืชประกอบด้วย คลอโรพลาสต์.

ภายในเซลล์พืชมีออร์แกเนลล์ที่เรียกว่าคลอโรพลาสต์ เช่นเดียวกับไมโทคอนเดรีย เชื่อกันว่าสิ่งเหล่านี้ถูกรวมเข้ากับสิ่งมีชีวิตที่มียูคาริโอตค่อนข้างเร็วในวิวัฒนาการของ ยูคาริโอต โดยที่เอนทิตีถูกกำหนดให้กลายเป็นคลอโรพลาสต์ จากนั้นจึงดำรงอยู่ในฐานะที่ทำหน้าที่สังเคราะห์แสงแบบอิสระ โปรคาริโอต

คลอโรพลาสต์ก็เหมือนกับออร์แกเนลล์ทั้งหมด ล้อมรอบด้วยเมมเบรนพลาสมาคู่ ภายในเมมเบรนนี้มีสโตรมา ซึ่งทำหน้าที่คล้ายกับไซโตพลาสซึมของคลอโรพลาสต์ นอกจากนี้ภายในคลอโรพลาสยังมีร่างกายที่เรียกว่าไทลาคอยด์ซึ่งจัดเรียงเหมือนกองเหรียญและหุ้มด้วยเมมเบรนของตัวเอง

คลอโรฟิลล์ถือเป็น "เม็ดสี" ของการสังเคราะห์ด้วยแสง แต่มีคลอโรฟิลล์หลายประเภท และรงควัตถุอื่นที่ไม่ใช่คลอโรฟิลล์ก็มีส่วนร่วมในการสังเคราะห์ด้วยแสงเช่นกัน สารสีหลักที่ใช้ในการสังเคราะห์แสงคือ คลอโรฟิลล์ เอ เม็ดสีที่ไม่ใช่คลอโรฟิลล์บางชนิดที่มีส่วนร่วมในกระบวนการสังเคราะห์แสงมีสีแดง สีน้ำตาลหรือสีน้ำเงิน

ปฏิกิริยาแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสงใช้พลังงานแสงเพื่อแทนที่อะตอมไฮโดรเจนจากโมเลกุลของน้ำ ด้วยอะตอมไฮโดรเจนเหล่านี้ซึ่งขับเคลื่อนโดย การไหลของอิเล็กตรอนในที่สุดจะถูกปลดปล่อยโดยแสงที่เข้ามา ถูกใช้เพื่อสังเคราะห์ NADPH และ ATP ซึ่งจำเป็นสำหรับความมืดที่ตามมา ปฏิกิริยา

ปฏิกิริยาแสงเกิดขึ้นที่เยื่อหุ้มไทลาคอยด์ ภายในคลอโรพลาสต์ ภายในเซลล์พืช พวกมันเริ่มเคลื่อนไหวเมื่อแสงกระทบกับโปรตีน-คลอโรฟิลล์คอมเพล็กซ์ที่เรียกว่า ระบบภาพถ่าย II (PSII). เอนไซม์นี้คือสิ่งที่ปลดปล่อยอะตอมไฮโดรเจนจากโมเลกุลของน้ำ ออกซิเจนในน้ำจะเป็นอิสระ และอิเล็กตรอนที่ปลดปล่อยในกระบวนการจะเกาะติดกับโมเลกุลที่เรียกว่าพลาสโตควิโนล และเปลี่ยนให้เป็นพลาสโตควิโนน โมเลกุลนี้จะถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยังเอ็นไซม์เชิงซ้อนที่เรียกว่าไซโตโครม b6f ctyb6f นี้ใช้อิเล็กตรอนจากพลาสโตควิโนนและย้ายไปยังพลาสโตไซยานิน

ณ จุดนี้, ระบบภาพถ่ายฉัน (PSI) ได้รับในงาน เอนไซม์นี้นำอิเล็กตรอนจากพลาสโตไซยานินมาเกาะกับสารประกอบที่มีธาตุเหล็กที่เรียกว่าเฟอร์ร์ดอกซิน ในที่สุด เอ็นไซม์ที่เรียกว่า ferredoxin–NADP⁺reductase (FNR) เพื่อสร้าง NADPH จาก NADP⁺. คุณไม่จำเป็นต้องจำสารประกอบเหล่านี้ทั้งหมด แต่สิ่งสำคัญคือต้องมีความรู้สึกของการเรียงซ้อนธรรมชาติ "การส่งต่อ" ของปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้อง

นอกจากนี้ เมื่อ PSII ปลดปล่อยไฮโดรเจนออกจากน้ำเพื่อให้พลังงานแก่ปฏิกิริยาข้างต้น ไฮโดรเจนบางส่วนนั้นมีแนวโน้มที่จะต้องการปล่อยไทลาคอยด์สำหรับสโตรมา โดยลดระดับความเข้มข้นลง เมมเบรนไทลาคอยด์ใช้ประโยชน์จากการไหลออกตามธรรมชาตินี้โดยใช้เพื่อจ่ายพลังงานให้กับปั๊มสังเคราะห์ ATP ในเมมเบรน ซึ่งยึดโมเลกุลฟอสเฟตเข้ากับ ADP (อะดีโนซีน ไดฟอสเฟต) เพื่อสร้าง ATP

ปฏิกิริยาที่มืดของการสังเคราะห์ด้วยแสงนั้นถูกตั้งชื่อเช่นนั้นเพราะพวกมันไม่พึ่งพาแสง แต่สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อมีแสงจึงเรียกชื่อได้แม่นยำกว่าถ้ายุ่งยากกว่า "ปฏิกิริยาที่ไม่ขึ้นกับแสงเพื่อให้กระจ่างยิ่งขึ้นปฏิกิริยาความมืดเรียกอีกอย่างว่า วัฏจักรคาลวิน.

ลองนึกภาพว่าเมื่อสูดอากาศเข้าไปในปอดของคุณ คาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศนั้นสามารถเข้าไปในตัวคุณได้ เซลล์ ซึ่งก็จะใช้มันสร้างสารตัวเดียวกับที่ร่างกายคุณย่อยอาหารลงไป กิน. อันที่จริงด้วยเหตุนี้ คุณจะไม่ต้องกินอะไรเลย นี่คือชีวิตของพืชซึ่งใช้CO₂ มันรวบรวมจากสิ่งแวดล้อม (ซึ่งส่วนใหญ่เป็นผลมาจากกระบวนการเผาผลาญของยูคาริโอตอื่น ๆ ) เพื่อสร้างกลูโคสซึ่งจะเก็บหรือเผาผลาญตามความต้องการของตัวเอง

คุณได้เห็นแล้วว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงเริ่มต้นด้วยการทำให้อะตอมไฮโดรเจนแตกออกจากน้ำและใช้พลังงานจากอะตอมเหล่านั้นเพื่อสร้าง NADPH และ ATP บางส่วน แต่จนถึงขณะนี้ ยังไม่มีการกล่าวถึงปัจจัยอื่นๆ ในการสังเคราะห์ด้วยแสง CO2 ตอนนี้คุณจะเห็นว่าทำไม NADPH และ ATP ทั้งหมดจึงถูกเก็บเกี่ยวตั้งแต่แรก

ในขั้นตอนแรกของปฏิกิริยามืด CO2 จะติดกับอนุพันธ์น้ำตาลห้าคาร์บอนที่เรียกว่าไรบูโลส 1,5-บิสฟอสเฟต ปฏิกิริยานี้เร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase Rubisco. เชื่อกันว่าเอ็นไซม์นี้เป็นโปรตีนที่มีมากที่สุดในโลก เนื่องจากมีอยู่ในพืชทุกชนิดที่ผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง

สารมัธยันตร์ 6 คาร์บอนนี้ไม่เสถียรและแยกออกเป็นคู่ของโมเลกุลคาร์บอนสามคู่ที่เรียกว่าฟอสโฟกลีเซอเรต เหล่านี้จะถูกฟอสโฟรีเลตโดยเอนไซม์ไคเนสเพื่อสร้าง 1,3-bisphosphoglycerate โมเลกุลนี้จะถูกแปลงเป็น glyceraldehyde-3-phosphate (G3P) ปลดปล่อยโมเลกุลของฟอสเฟตและใช้ NAPDH ที่ได้มาจากปฏิกิริยาแสง

G3P ที่สร้างขึ้นในปฏิกิริยาเหล่านี้สามารถนำไปใช้ในวิถีทางต่างๆ ได้มากมาย ส่งผลให้ ในการสร้างกลูโคส กรดอะมิโน หรือไขมัน ขึ้นกับความต้องการเฉพาะของพืช เซลล์. พืชยังสังเคราะห์พอลิเมอร์ของกลูโคสซึ่งในอาหารของมนุษย์มีส่วนทำให้เกิดแป้งและเส้นใย