Активність ферментів у фотосинтезі

Фотосинтез можна визначити як найважливішу реакцію у всій біології. Вивчіть будь-яку харчову павутину або систему потоків енергії у світі, і ви виявите, що в кінцевому рахунку вона покладається на енергію сонця для речовин, які підтримують організми, що знаходяться в ній. Тварини покладаються як на поживні речовини на основі вуглецю (вуглеводи), так і на кисень, який виробляє фотосинтез, оскільки навіть тварини які отримують все своє харчування, полюючи на інших тварин, згортаючи їдять організми, які самі живуть переважно або виключно на рослини.

З фотосинтезу, таким чином, випливають всі інші процеси енергообміну, що спостерігаються в природі. Подібно гліколізу та реакціям клітинного дихання, фотосинтез має безліч етапів, ферментів та унікальних аспектів, які слід враховувати та розуміти роль, яку відіграють конкретні каталізатори фотосинтезу в тому, що означає перетворення світла та газу в їжу, є критично важливою для засвоєння основних біохімія.

Фотосинтез мав щось спільне з виробництвом останнього, що ви з’їли, що б це не було. Якщо це було на рослинній основі, претензія є однозначною. Якщо це був гамбургер, м’ясо майже напевно походило від тварини, яка сама майже повністю харчувалася рослинами. Подивившись дещо інакше, якби сонце сьогодні закрило себе, не спричиняючи охолодження світу, що призвело б до дефіциту рослин, незабаром світове запас їжі зникне; рослини, які явно не є хижаками, знаходяться в самому низу будь-якого харчового ланцюга.

Фотосинтез традиційно поділяється на світлові реакції та темні реакції. Обидві реакції у фотосинтезі відіграють критичну роль; перші покладаються на наявність сонячного світла чи іншої світлової енергії, тоді як другі не залежать, але залежать від продуктів світлової реакції, щоб мати підкладку для роботи. У світлих реакціях утворюються енергетичні молекули, необхідні рослині для збирання вуглеводів, тоді як сам синтез вуглеводів відбувається в темних реакціях. Це в чомусь схоже на аеробне дихання, де цикл Кребса, хоча і не є основним прямим джерелом АТФ (аденозинтрифосфат, "енергетична валюта" всіх клітин), генерує велику кількість проміжних молекул, які сприяють створенню великої кількості АТФ у подальшому ланцюгу транспорту електронів реакції.

Найважливішим елементом у рослинах, що дозволяє їм проводити фотосинтез, є хлорофіл, речовина, яка міститься в унікальних структурах під назвою хлоропласти.

Чиста реакція фотосинтезу насправді дуже проста. У ньому зазначено, що вуглекислий газ і вода в присутності світлової енергії під час процесу перетворюються на глюкозу та кисень.

6 CO₂ + світло + 6 год₂O → C₆H₁₂О₆ + 6 О₂

Загальна реакція є сумою світлові реакції та темні реакції фотосинтезу:

Світлові реакції:12 год₂O + світло → O₂ + 24 год⁺ + 24e⁻

Темні реакції:6CO₂ + 24 год⁺ + 24 е⁻ → C₆H₁₂О₆ + 6 год₂О

Коротше кажучи, світлові реакції використовують сонячне світло для відлякування електронів, які рослина потім направляє на отримання їжі (глюкози). Як це відбувається на практиці, добре вивчено і свідчить про мільярди років біологічної еволюції.

Поширеною помилкою людей, які вивчають науки про життя, є те, що фотосинтез - це просто клітинне дихання в зворотному напрямку. Це зрозуміло, враховуючи, що чиста реакція фотосинтезу виглядає так само, як клітинне дихання, починаючи з гліколіз і закінчуючи аеробними процесами (цикл Кребса та ланцюг транспорту електронів) у мітохондріях - протікають саме в зворотний.

Однак реакції, що перетворюють вуглекислий газ на глюкозу при фотосинтезі, значно відрізняються від тих, які використовуються для відновлення глюкози до діоксиду вуглецю в клітинному диханні. Майте на увазі, рослини також використовують клітинне дихання. Хлоропласти не є "мітохондріями рослин"; рослини також мають мітохондрії.

Подумайте про фотосинтез як про те, що відбувається головним чином тому, що рослини не мають рота, але все ж покладаються на спалювання глюкози як поживної речовини, щоб виробляти власне паливо. Якщо рослини ще не можуть проковтнути глюкозу, але все ще потребують постійного її надходження, тоді їм доводиться робити, здавалося б, неможливо і робити це самостійно. Як рослини роблять їжу? Вони використовують зовнішнє світло, щоб рухати крихітні електростанції всередині них, щоб це зробити. Те, що вони можуть це зробити, значною мірою залежить від того, як вони насправді структуровані.

Структури, які мають велику площу поверхні по відношенню до своєї маси, добре розташовані, щоб уловлювати велику частину сонячного світла, що проходить через них. Ось чому рослини мають листя. Той факт, що листя, як правило, є найбільш зеленою частиною рослин, є результатом густини хлорофілу в листі, оскільки саме тут виконується робота з фотосинтезу.

Листя мають еволюціонували пори на своїх поверхнях, що називаються продихами (однина: продихи). Ці отвори є засобом, за допомогою якого лист може контролювати вхід і вихід CO₂, який необхідний для фотосинтезу, та O₂, який є відходом процесу. (Неприпустимо вважати кисень відходами, але в цих умовах, власне кажучи, це те, що він є.)

Ці продихи також допомагають листу регулювати вміст води. Коли води багато, листя стає більш жорстким і «надутим», а продихи схильні залишатися закритими. І навпаки, коли води недостатньо, продихи розкриваються, намагаючись допомогти листу харчуватися.

Рослинні клітини - це еукаріотичні клітини, тобто вони мають як чотири структури, спільні для всіх клітин (ДНК, клітинна мембрана, цитоплазма та рибосоми), так і ряд спеціалізованих органел. Однак рослинні клітини, на відміну від клітин тварин та інших еукаріотів, мають клітинні стінки, як і бактерії, але побудовані з використанням різних хімічних речовин.

Рослинні клітини також мають ядра, і до їх органел належать мітохондрії, ендоплазматичний ретикулум, тіла Гольджі, цитоскелет та вакуолі. Але критична різниця між клітинами рослин та іншими клітинами еукаріотів полягає в тому, що клітини рослин містять хлоропласти.

У клітинах рослин знаходяться органели, які називаються хлоропластами. Як і мітохондрії, вважається, що вони були включені в еукаріотичні організми порівняно на початку еволюції еукаріоти, з суттю, якій судилося стати хлоропластом, яка тоді існувала як окремо стоїть фотосинтез прокаріот.

Хлоропласт, як і всі органели, оточений подвійною плазматичною мембраною. Усередині цієї мембрани знаходиться строма, яка функціонує подібно до цитоплазми хлоропластів. Також всередині хлоропластів знаходяться тіла, звані тилакоїдами, які розташовані як стопки монет і укладені власною мембраною.

Хлорофіл вважається "пігментом фотосинтезу", але існує кілька різних типів хлорофілу, і пігмент, відмінний від хлорофілу, також бере участь у фотосинтезі. Основним пігментом, що використовується при фотосинтезі, є хлорофіл А. Деякі нехлорофільні пігменти, які беруть участь у фотосинтетичних процесах, мають червоний, коричневий або синій колір.

Світлові реакції фотосинтезу використовують світлову енергію для витіснення атомів водню з молекул води, причому ці атоми водню живляться від потік електронів, що в кінцевому підсумку вивільняється надходить світлом, використовуючись для синтезу НАДФН та АТФ, які необхідні для подальшої темряви реакції.

Світлові реакції відбуваються на тилакоїдній мембрані, всередині хлоропласта, всередині рослинної клітини. Вони починають рухатися, коли світло потрапляє на білково-хлорофільний комплекс, який називається фотосистема II (PSII). Цей фермент вивільняє атоми водню з молекул води. Потім кисень у воді звільняється, і електрони, що звільняються в процесі, приєднуються до молекули, званої пластохінолом, перетворюючи його в пластохінон. У свою чергу ця молекула переносить електрони в ферментний комплекс, який називається цитохром b6f. Цей ctyb6f забирає електрони з пластохінону і переміщує їх до пластоціаніну.

На даний момент, фотосистема I (PSI) стає на роботу. Цей фермент забирає електрони з пластоціаніну і приєднує їх до залізовмісної сполуки, яка називається фередоксин. Нарешті, фермент, який називається ферредоксин – НАДФ⁺редуктази (FNR) для отримання НАДФН із НАДФ⁺. Вам не потрібно запам’ятовувати всі ці сполуки, але важливо мати відчуття каскадного, «передавального» характеру реакцій.

Крім того, коли PSII вивільняє водень з води для подання вищезазначених реакцій, частина цього водню, як правило, хоче залишити тилакоїд для строми, знижуючи його градієнт концентрації. Тілакоїдна мембрана використовує цей природний відтік, використовуючи його для живлення АТФ-синтазного насоса в мембрані, який приєднує молекули фосфату до АДФ (аденозиндифосфату) для отримання АТФ.

Темні реакції фотосинтезу названі так, оскільки вони не покладаються на світло. Однак вони можуть виникати, коли присутнє світло, тому більш точне, якщо більш громіздке, ім'я "світлонезалежні реакції"Для подальшого прояснення ситуації темні реакції разом відомі також як Цикл Кальвіна.

Уявіть, що, вдихаючи повітря в легені, вуглекислий газ у цьому повітрі може потрапити у вас клітини, які потім використовуватимуть його для отримання тієї самої речовини, яка є результатом того, що ваше тіло розщеплює їжу, яку ви їсти. Насправді через це вам ніколи не доведеться їсти взагалі. Це, по суті, життя рослини, яка використовує CO₂ він збирається з навколишнього середовища (яке значною мірою є результатом обмінних процесів інших еукаріотів), виробляючи глюкозу, яку потім або зберігає, або спалює для власних потреб.

Ви вже бачили, що фотосинтез починається зі збиття атомів водню, вільних від води, та використання енергії цих атомів для отримання деякої кількості НАДФН та деякої кількості АТФ. Але дотепер не згадувалося про інший внесок у фотосинтез - CO2. Тепер ви побачите, чому спочатку було зібрано весь цей НАДФН та АТФ.

На першій стадії темних реакцій CO2 приєднується до похідного цукру з п’ятьма вуглецями, який називається 1,5-бісфосфат рибулози. Ця реакція каталізується ферментом рибулоза-1,5-бісфосфат-карбоксилаза / оксигеназа, набагато більш запам'ятовується як Рубіско. Вважається, що цей фермент є найпоширенішим білком у світі, враховуючи, що він присутній у всіх рослинах, які піддаються фотосинтезу.

Цей шестивуглецевий проміжний продукт є нестійким і розпадається на пару молекул з трьох вуглеців, які називаються фосфогліцератом. Потім вони фосфорилюються ферментом кінази з утворенням 1,3-бісфосфогліцерату. Потім ця молекула перетворюється на гліцеральдегід-3-фосфат (G3P), звільняючи молекули фосфату і споживаючи NAPDH, отриманий в результаті світлових реакцій.

У результаті G3P, створений у цих реакціях, може бути спрямований на кілька різних шляхів при утворенні глюкози, амінокислот або ліпідів, залежно від конкретних потреб рослини клітин. Рослини також синтезують полімери глюкози, які в раціон людини вносять крохмаль і клітковину.