Fotosentezde Enzim Aktivitesi

Fotosentez, tüm biyolojideki savunulabilir şekilde en önemli reaksiyon olarak adlandırılabilir. Dünyadaki herhangi bir besin ağını veya enerji akışı sistemini inceleyin ve bunun, organizmaları besleyen maddeler için nihayetinde güneşten gelen enerjiye dayandığını göreceksiniz. Hayvanlar hem karbon bazlı besinlere (karbonhidratlar) hem de fotosentezin ürettiği oksijene güvenirler, çünkü hayvanlar bile Tüm besinlerini diğer hayvanları avlayarak sağlayanlar, çoğunlukla ya da yalnızca üzerlerinde yaşayan organizmaları yiyerek sona erer. bitkiler.

Böylece doğada gözlemlenen tüm diğer enerji alışverişi süreçleri fotosentezden doğar. Glikoliz ve hücresel solunum reaksiyonları gibi, fotosentez de dikkate alınması ve anlaşılması gereken çok sayıda adım, enzim ve benzersiz yönlere sahiptir. Işığın ve gazın yiyeceğe dönüştürülmesinde hangi miktarda fotosentez katalizörlerinin oynadığı roller, temel konularda uzmanlaşmak için kritik öneme sahiptir. biyokimya.

Fotosentez, yediğiniz son şeyin, her neyse, onu üretmesiyle ilgiliydi. Bitki bazlı olsaydı, iddia basittir. Bir hamburger olsaydı, et neredeyse tamamen bitkilerle beslenen bir hayvandan geliyordu. Biraz farklı bir şekilde bakıldığında, eğer güneş bugün dünyanın soğumasına neden olmadan kendini kapatsaydı, bu da bitkilerin kıt olmasına yol açardı, dünyanın besin kaynağı kısa sürede ortadan kalkardı; açıkça yırtıcı olmayan bitkiler, herhangi bir besin zincirinin en altındadır.

Fotosentez geleneksel olarak ışık tepkimeleri ve karanlık tepkimeler olarak ikiye ayrılır. Fotosentezdeki her iki reaksiyon da kritik roller oynar; birincisi, güneş ışığının veya diğer ışık enerjisinin varlığına dayanırken, ikincisi, çalışmak için alt tabakaya sahip olmak için ışık reaksiyonunun ürünlerine bağımlı değildir. Işık tepkimelerinde bitkinin karbonhidratı bir araya getirmek için ihtiyaç duyduğu enerji molekülleri yapılırken, karanlık tepkimelerde karbonhidrat sentezinin kendisi gerçekleşir. Bu, bazı yönlerden aerobik solunuma benzer; burada Krebs, başlıca doğrudan ATP kaynağı olmasa da (adenosin trifosfat, "enerji para birimi") döngü yapar. tüm hücreler), sonraki elektron taşıma zincirinde büyük miktarda ATP oluşumunu sağlayan çok sayıda ara molekül üretir. reaksiyonlar.

Bitkilerde fotosentez yapmalarını sağlayan kritik unsur, klorofiladı verilen benzersiz yapılarda bulunan bir madde kloroplastlar.

Fotosentezin net reaksiyonu aslında çok basittir. Şu hususları belirtmektedir karbondioksit ve su, ışık enerjisinin varlığında, işlem sırasında glikoz ve oksijene dönüştürülür..

6 CO₂ + ışık + 6 H₂O → C₆H₁₂Ö₆ + 6 O₂

Genel reaksiyon, aşağıdakilerin toplamıdır: hafif reaksiyonlar ve karanlık reaksiyonlar fotosentez:

Işık reaksiyonları:12 Saat₂O + ışık → O₂ + 24 Saat⁺ + 24e⁻

Karanlık reaksiyonlar:6CO₂ + 24 Saat⁺ + 24 saat⁻ → C₆H₁₂Ö₆ + 6 Saat₂Ö

Kısacası, ışık reaksiyonları, bitkinin daha sonra besin (glikoz) yapmak için kanalize ettiği elektronları korkutmak için güneş ışığını kullanır. Bunun pratikte nasıl gerçekleştiği iyi araştırılmıştır ve milyarlarca yıllık biyolojik evrimin bir kanıtıdır.

Yaşam bilimleri üzerine çalışan insanlar arasında yaygın bir yanılgı, fotosentezin tersine hücresel solunum olduğudur. Fotosentezin net reaksiyonunun tıpkı hücresel solunum gibi göründüğü göz önüne alındığında, bu anlaşılabilir bir durumdur. glikoliz ve mitokondride aerobik süreçlerle (Krebs döngüsü ve elektron taşıma zinciri) biten - tam olarak tersine çevirmek.

Bununla birlikte, fotosentezde karbondioksiti glikoza dönüştüren reaksiyonlar, hücresel solunumda glikozu tekrar karbondioksite indirgemek için kullanılanlardan çok farklıdır. Bitkilerin de hücresel solunumdan yararlandığını unutmayın. Kloroplastlar "bitkilerin mitokondrileri" değildir; bitkilerde de mitokondri bulunur.

Fotosentezi, esas olarak bitkilerin ağızları olmadığı için gerçekleşen bir şey olarak düşünün, ancak yine de kendi yakıtlarını yapmak için bir besin olarak glikozu yakmaya güveniyorlar. Bitkiler glikozu yiyemiyorsa ve yine de sürekli olarak glikoza ihtiyaç duyuyorsa, görünüşte imkansız olanı yapmak ve bunu kendileri yapmak zorundadırlar. Bitkiler nasıl besin üretir? Bunu yapmak için içlerindeki küçük enerji santrallerini çalıştırmak için harici ışık kullanırlar. Bunu yapabilmeleri, büyük ölçüde gerçekte nasıl yapılandırıldıklarına bağlıdır.

Kütlelerine göre çok fazla yüzey alanına sahip yapılar, yollarından geçen güneş ışığının büyük bir kısmını yakalamak için iyi bir şekilde konumlandırılmıştır. Bu nedenle bitkilerin yaprakları vardır. Yaprakların bitkilerin en yeşil kısmı olma eğilimi, fotosentez işinin yapıldığı yer olduğu için yapraklardaki klorofil yoğunluğunun sonucudur.

Yapraklar, yüzeylerinde stoma (tekil: stoma) adı verilen gözenekler geliştirmiştir. Bu açıklıklar, yaprağın CO'nun giriş ve çıkışını kontrol edebildiği araçlardır.₂fotosentez için gerekli olan ve O₂sürecin bir atık ürünüdür. (Oksijeni atık olarak düşünmek mantığa aykırıdır, ancak bu ortamda, kesinlikle konuşmak gerekirse, olan budur.)

Bu stomalar ayrıca yaprağın su içeriğini düzenlemesine yardımcı olur. Su bol olduğunda, yapraklar daha sert ve "şişirilir" ve stomalar kapalı kalmaya meyillidir. Tersine, su kıt olduğunda, stomalar yaprağın kendini beslemesine yardımcı olmak için açılır.

Bitki hücreleri ökaryotik hücrelerdir, yani hem tüm hücrelerde ortak olan dört yapıya (DNA, hücre zarı, sitoplazma ve ribozomlar) hem de bir dizi özel organele sahiptirler. Bununla birlikte, bitki hücreleri, hayvan ve diğer ökaryotik hücrelerden farklı olarak, bakterilerin yaptığı gibi hücre duvarlarına sahiptir, ancak farklı kimyasallar kullanılarak yapılmıştır.

Bitki hücrelerinin de çekirdekleri vardır ve organelleri mitokondri, endoplazmik retikulum, Golgi cisimleri, hücre iskeleti ve vakuolleri içerir. Ancak bitki hücreleri ile diğer ökaryotik hücreler arasındaki kritik fark, bitki hücrelerinin şunları içermesidir: kloroplastlar.

Bitki hücrelerinde kloroplast adı verilen organeller bulunur. Mitokondri gibi, bunların da ökaryotik organizmalara evrimin nispeten erken dönemlerinde dahil edildiğine inanılmaktadır. Ökaryotlar, bir kloroplast haline gelecek varlık ile daha sonra serbest duran bir fotosentez gerçekleştiren olarak var oldu. prokaryot.

Kloroplast, tüm organeller gibi, çift plazma zarı ile çevrilidir. Bu zarın içinde, kloroplastların sitoplazması gibi işlev gören stroma bulunur. Ayrıca kloroplastların içinde, madeni para yığınları gibi düzenlenmiş ve kendilerine ait bir zarla çevrelenmiş thylakoid adı verilen cisimler bulunur.

Klorofil, fotosentezin "" pigmenti olarak kabul edilir, ancak birkaç farklı klorofil türü vardır ve klorofil dışındaki pigmentler de fotosenteze katılır. Fotosentezde kullanılan ana pigment klorofil A'dır. Fotosentetik süreçlerde yer alan bazı klorofil olmayan pigmentler kırmızı, kahverengi veya mavi renktedir.

Fotosentezin ışık reaksiyonları, hidrojen atomlarını su moleküllerinden ayırmak için ışık enerjisini kullanır; bu hidrojen atomları, Daha sonraki karanlık için gerekli olan NADPH ve ATP'yi sentezlemek için kullanılan, gelen ışık tarafından nihayetinde serbest bırakılan elektron akışı reaksiyonlar.

Işık reaksiyonları, bitki hücresinin içindeki kloroplastın içindeki thylakoid zar üzerinde meydana gelir. Işık adı verilen bir protein-klorofil kompleksine çarptığında harekete geçerler. fotosistem II (PSII). Bu enzim, hidrojen atomlarını su moleküllerinden kurtaran şeydir. Sudaki oksijen daha sonra serbesttir ve işlemde serbest kalan elektronlar, plastokinol adı verilen bir moleküle bağlanarak onu plastokinona dönüştürür. Bu molekül de elektronları sitokrom b6f adı verilen bir enzim kompleksine aktarır. Bu ctyb6f, elektronları plastokinondan alır ve onları plastosiyanin'e taşır.

Bu noktada, fotosistem I (PSI) işe girer. Bu enzim, elektronları plastosiyaninden alır ve onları ferredoksin adı verilen demir içeren bir bileşiğe bağlar. Son olarak, ferredoksin-NADP adı verilen bir enzim⁺NADP'den NADPH yapmak için redüktaz (FNR)⁺. Tüm bu bileşikleri ezberlemenize gerek yoktur, ancak ilgili reaksiyonların basamaklı, "teslim edilen" doğası hakkında bir fikir sahibi olmak önemlidir.

Ayrıca, PSII, yukarıdaki reaksiyonları güçlendirmek için sudan hidrojeni serbest bıraktığında, bu hidrojenin bir kısmı, konsantrasyon gradyanında aşağı doğru stroma için thylakoid'i terk etmek isteme eğilimindedir. Tilakoid zar, ATP yapmak için fosfat moleküllerini ADP'ye (adenosin difosfat) bağlayan zardaki bir ATP sentaz pompasına güç sağlamak için bunu kullanarak bu doğal çıkıştan yararlanır.

Fotosentezin karanlık reaksiyonları, ışığa güvenmedikleri için bu şekilde adlandırılmıştır. Bununla birlikte, ışık mevcut olduğunda ortaya çıkabilirler, bu nedenle daha hantalsa daha doğru bir isim "ışıktan bağımsız reaksiyonlar. " Konuyu daha da netleştirmek için, karanlık reaksiyonlar birlikte aynı zamanda olarak da bilinir. Calvin döngüsü.

Havayı ciğerlerinize çekerken, o havadaki karbondioksitin akciğerlerinize girebileceğini hayal edin. hücreler, daha sonra vücudunuzdan aldığınız gıdaları parçalamanızdan kaynaklanan aynı maddeyi yapmak için kullanırdı. yemek. Aslında, bu nedenle, asla yemek zorunda kalmazsınız. Bu aslında CO2 kullanan bir bitkinin ömrüdür.₂ çevreden (ki bu büyük ölçüde diğer ökaryotların metabolik süreçlerinin bir sonucu olarak oradadır) glikoz yapmak için toplar ve daha sonra ya kendi ihtiyaçları için depolar ya da yakar.

Fotosentezin hidrojen atomlarını sudan arındırarak ve bu atomlardan gelen enerjiyi bir miktar NADPH ve biraz da ATP yapmak için kullanarak başladığını zaten gördünüz. Ancak şimdiye kadar, fotosentezin diğer girdisi olan CO2'den söz edilmedi. Şimdi tüm bu NADPH ve ATP'nin neden ilk başta hasat edildiğini göreceksiniz.

Karanlık reaksiyonların ilk adımında, CO2, ribuloz 1,5-bifosfat adı verilen beş karbonlu bir şeker türevine bağlanır. Bu reaksiyon, ribuloz-1,5-bifosfat karboksilaz/oksijenaz enzimi tarafından katalize edilir; Rubisko. Bu enzimin, fotosentez yapan tüm bitkilerde mevcut olduğu göz önüne alındığında, dünyada en bol bulunan protein olduğuna inanılmaktadır.

Bu altı karbonlu ara ürün kararsızdır ve fosfogliserat adı verilen bir çift üç karbonlu moleküle bölünür. Bunlar daha sonra 1,3-bifosfogliserat oluşturmak üzere bir kinaz enzimi tarafından fosforile edilir. Bu molekül daha sonra gliseraldehit-3-fosfata (G3P) dönüştürülür, fosfat moleküllerini serbest bırakır ve hafif reaksiyonlardan türetilen NAPDH'yi tüketir.

Bu reaksiyonlarda oluşturulan G3P daha sonra bir dizi farklı yola koyulabilir ve sonuç olarak bitkinin özel ihtiyaçlarına bağlı olarak glikoz, amino asitler veya lipidlerin oluşumunda hücreler. Bitkiler ayrıca insan diyetinde nişasta ve lif katkısında bulunan glikoz polimerlerini de sentezler.