Enzýmová aktivita vo fotosyntéze

Obsah

• Čo je to fotosyntéza?
• Fotosyntetická rovnica
• Fotosyntéza vs. bunková respirácia
• Štruktúra rastlín
• Štruktúra rastlinnej bunky
• Chloroplast
• Svetelné reakcie
• Temné reakcie
• Zadajte Rubisco

Fotosyntézu možno preukázateľne označiť za najdôležitejšiu reakciu v celej biológii. Preskúmajte akýkoľvek potravinový web alebo systém toku energie na svete a zistíte, že sa v konečnom dôsledku spolieha na energiu zo slnka pre látky, ktoré v ňom nachádzajú organizmy. Zvieratá sa spoliehajú na výživné látky na báze uhlíka (uhľohydráty) a na kyslík, ktorý vytvára fotosyntéza, pretože aj zvieratá, ktoré získajú všetku svoju výživu tým, že lovia iné zvieratá, likvidujú jedlé organizmy, ktoré samy žijú väčšinou alebo výlučne na rastlinách.

Z fotosyntézy tak prúdia všetky ostatné procesy výmeny energie pozorované v prírode. Rovnako ako glykolýza a reakcie bunkovej respirácie, fotosyntéza má množstvo krokov, enzýmov a jedinečných aspektov, ktoré treba zvážiť, a pochopiť úlohy, ktoré hrajú špecifické katalyzátory fotosyntézy, v ktorých miere premeny svetla a plynu na jedlo je rozhodujúce pre zvládnutie základná biochémia.

Čo je to fotosyntéza?

Fotosyntéza mala niečo spoločné s výrobou poslednej veci, ktorú ste jedli, nech už to bolo čokoľvek. Ak by to bolo založené na rastlinách, nárok je jednoduchý. Keby to bol hamburger, mäso takmer určite pochádzalo zo zvieraťa, ktoré samo osebe takmer výlučne existovalo na rastlinách. Pozerali sme sa trochu inak, ak by sa slnko malo dnes vypnúť bez toho, aby sa svet ochladil, čo by viedlo k nedostatku rastlín, dodávky potravín na svete by čoskoro zmizli; Rastliny, ktoré zjavne nie sú dravcami, sa nachádzajú na samom spodku potravinového reťazca.

Fotosyntéza sa tradične delí na svetelné reakcie a temné reakcie. Obe reakcie vo fotosyntéze hrajú kritickú úlohu; prvé sa spoliehajú na prítomnosť slnečného svetla alebo inej svetelnej energie, zatiaľ čo druhé svetlo nie je závislé od produktov svetelnej reakcie, s ktorými má substrát pracovať. Pri reakciách na svetlo sa vytvárajú energetické molekuly, ktoré rastlina potrebuje na zostavenie uhľohydrátov, zatiaľ čo syntéza uhľovodíkov sama o sebe nastáva temnými reakciami. To je v niektorých ohľadoch podobné aeróbnemu dýchaniu, kde Krebsov cyklus, aj keď nie je hlavným priamym zdrojom ATP (adenozíntrifosfát, „energetická mena“ všetkých buniek), vytvára veľké množstvo prechodných molekúl, ktoré riadia tvorbu veľa ATP v následných reakciách elektrónového transportného reťazca.

Kritickým prvkom v rastlinách, ktorý im umožňuje vykonávať fotosyntézu, je chlorofyl, látka, ktorá sa nachádza v jedinečných štruktúrach nazývaných chloroplasty.

Fotosyntetická rovnica

Čistá reakcia fotosyntézy je v skutočnosti veľmi jednoduchá. Uvádza sa to oxid uhličitý a voda sa v prítomnosti svetelnej energie počas procesu premieňajú na glukózu a kyslík.

6 CO₂ + svetlo + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Celková reakcia je súčtom ľahké reakcie a temné reakcie fotosyntézy:

Svetelné reakcie: 12 H₂O + svetlo → O₂ + 24 H⁺ + 24e⁻

Temné reakcie: 6CO₂ + 24 H⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

Stručne povedané, svetelné reakcie využívajú slnečné svetlo na vystrašenie elektrónov, ktoré potom rastlina nasmeruje na výrobu potravín (glukóza). To, ako sa to v praxi vyskytuje, bolo dobre preštudované a je dôkazom miliárd rokov biologickej evolúcie.

Fotosyntéza vs. bunková respirácia

Bežná mylná predstava medzi ľuďmi študujúcimi biologické vedy je, že fotosyntéza je jednoducho reverziou bunkovej respirácie. Je to pochopiteľné, pretože čistá reakcia fotosyntézy vyzerá rovnako ako bunkové dýchanie - počínajúc glykolýzou a končiac aeróbnymi procesmi (Krebsov cyklus a reťazec prenosu elektrónov) v mitochondriách - prebieha presne opačne.

Reakcie, ktoré pri fotosyntéze premieňajú oxid uhličitý na glukózu, sú však výrazne odlišné od reakcií, ktoré sa používajú pri redukcii glukózy späť na oxid uhličitý pri dýchaní buniek. Rastliny, majte na pamäti, tiež využívajú bunkové dýchanie. Chloroplasty nie sú „mitochondrie rastlín“; rastliny majú tiež mitochondrie.

Fotosyntézu považujte za niečo, čo sa deje hlavne preto, že rastliny nemajú ústa, ale stále sa spoliehajú na spaľovanie glukózy ako živiny na výrobu vlastného paliva. Ak rastliny nemôžu prijímať glukózu a napriek tomu si stále vyžadujú stabilnú dodávku, musia urobiť zdanlivo nemožné a urobiť to sami. Ako rastliny produkujú jedlo? Používajú vonkajšie svetlo, aby poháňali malé elektrárne vo vnútri, aby to robili. To, že tak môžu urobiť, závisí do veľkej miery od toho, ako sú skutočne štruktúrované.

Štruktúra rastlín

Štruktúry, ktoré majú v porovnaní s ich hmotnosťou veľa povrchu, sú v dobrej polohe na zachytenie veľkého množstva slnečného žiarenia prechádzajúceho ich cestou. To je dôvod, prečo rastliny majú listy. Skutočnosť, že listy majú tendenciu byť najzelenšou časťou rastlín, je výsledkom hustoty chlorofylu v listoch, pretože tu sa vykonáva fotosyntéza.

Listy majú na svojich povrchoch póry, ktoré sa nazývajú stomata (singulární: stoma). Tieto otvory sú prostriedkom, ktorým môže list regulovať vstup a výstup CO₂, ktorá je potrebná pre fotosyntézu, a O₂, ktorý je odpadom z procesu. (Je neintuitívne myslieť na kyslík ako na odpad, ale v tomto prostredí je to presne to, čo to je.)

Tieto stomaty tiež pomáhajú listom regulovať obsah vody. Ak je voda dostatočná, listy sú pevnejšie a „nafúknuté“ a stomata je naklonená, aby zostala uzavretá. Naopak, keď je nedostatok vody, stomata sa otvára v snahe pomôcť listu vyživovať sa.

Štruktúra rastlinnej bunky

Rastlinné bunky sú eukaryotické bunky, čo znamená, že majú štyri štruktúry spoločné pre všetky bunky (DNA, bunkovú membránu, cytoplazmu a ribozómy) a množstvo špecializovaných organel. Rastlinné bunky však na rozdiel od živočíšnych a iných eukaryotických buniek majú bunkové steny, podobne ako baktérie, ale skonštruované s použitím rôznych chemikálií.

Rastlinné bunky majú tiež jadrá a ich organely zahŕňajú mitochondrie, endoplazmatické retikulum, Golgiho telieska, cytoskelet a vakuoly. Kritický rozdiel medzi rastlinnými bunkami a ostatnými eukaryotickými bunkami je však v tom, že rastlinné bunky obsahujú chloroplasty.

Chloroplast

V rastlinných bunkách sú organely nazývané chloroplasty. Podobne ako mitochondrie sa predpokladá, že boli včlenené do eukaryotických organizmov relatívne skoro vo vývoji eukaryotov, pričom entita je určená na to, aby sa stala chloroplastom, potom existujúca ako voľne stojacimi prokaryotmi vykonávajúcimi fotosyntézu.

Chlorplast, rovnako ako všetky organely, je obklopený dvojitou plazmatickou membránou. V rámci tejto membrány je stroma, ktorá funguje podobne ako cytoplazma chloroplastov. V chloroplastoch sa nachádzajú aj telá zvané tylakoid, ktoré sú usporiadané ako stohy mincí a sú uzavreté vlastnou membránou.

Chlorofyl je považovaný za „pigment“ fotosyntézy, ale na fotosyntéze sa zúčastňuje aj niekoľko rôznych typov chlorofylu a iný pigment ako chlorofyl. Hlavným pigmentom použitým pri fotosyntéze je chlorofyl A. Niektoré pigmenty bez chlorofylu, ktoré sa zúčastňujú fotosyntetických procesov, sú červenej, hnedej alebo modrej farby.

Svetelné reakcie

Svetelné reakcie fotosyntézy využívajú svetelnú energiu na vytesnenie atómov vodíka z molekúl vody, pričom tieto atómy vodíka sú poháňané tokom elektrónov nakoniec uvoľnených prichádzajúcim svetlom, ktoré sa používajú na syntézu NADPH a ATP, ktoré sú potrebné na následné temné reakcie.

Svetelné reakcie sa vyskytujú na tylakoidnej membráne, vo vnútri chloroplastu, vo vnútri rastlinnej bunky. Dostanú sa do chodu, keď svetlo zasiahne bielkovinový komplex chlorofyl fotosystém II (PSII), Tento enzým uvoľňuje atómy vodíka z molekúl vody. Kyslík vo vode je potom voľný a elektróny uvoľnené pri tomto procese sú pripojené k molekule nazývanej plastochinol, čím sa z neho stáva plastochinón. Táto molekula zasa prenáša elektróny do enzýmového komplexu nazývaného cytochróm b6f. Tento ctyb6f berie elektróny z plastochinónu a presúva ich do plastocyanínu.

V tomto okamihu fotosystém I (PSI) dostane sa do práce. Tento enzým prijíma elektróny z plastocyanínu a viaže ich na zlúčeninu obsahujúcu železo nazývanú ferredoxín. Nakoniec enzým nazývaný ferredoxín - NADP⁺reduktáza (FNR) na výrobu NADPH z NADP⁺, Nemusíte si pamätať všetky tieto zlúčeniny, ale je dôležité mať zmysel pre kaskádovú „odovzdávaciu“ povahu zahrnutých reakcií.

Tiež, keď PSII uvoľňuje vodík z vody, aby poháňal vyššie uvedené reakcie, časť tohto vodíka má tendenciu chcieť opustiť tylakoid pre stróru, a to po svojom koncentračnom gradiente. Tylakoidová membrána využíva tento prirodzený odtok tým, že ju využíva na pohon ATP syntázovej pumpy v membráne, ktorá viaže molekuly fosfátu na ADP (adenozín difosfát), aby sa vytvoril ATP.

Temné reakcie

Temné reakcie fotosyntézy sú pomenované preto, že sa nespoliehajú na svetlo. Môžu sa však vyskytnúť, keď je prítomné svetlo, takže presnejšie, ak je ťažkopádnejšie, meno je „reakcie nezávislé na svetle"Aby sa veci objasnili ďalej, temné reakcie sa spolu nazývajú aj Kalvinov cyklus.

Predstavte si, že pri vdychovaní vzduchu do pľúc by sa oxid uhličitý v tomto vzduchu mohol dostať do vašich buniek, čo by ho potom použilo na vytvorenie tej istej látky, ktorá je výsledkom toho, že vaše telo rozloží jedlo, ktoré jete. V skutočnosti by ste preto nikdy nemuseli jesť. Toto je v podstate životnosť zariadenia, ktoré používa CO₂ zhromažďuje sa z prostredia (ktoré je do značnej miery dôsledkom metabolických procesov iných eukaryot) na výrobu glukózy, ktorú potom buď ukladá alebo spaľuje pre svoje vlastné potreby.

Už ste videli, že fotosyntéza začína klepaním atómov vodíka bez vody a využívaním energie z týchto atómov na výrobu NADPH a niektorých ATP. Doteraz sa však nespomína ďalší vstup do fotosyntézy CO2. Teraz uvidíte, prečo boli všetky tie NADPH a ATP zozbierané na prvom mieste.

Zadajte Rubisco

V prvom kroku temných reakcií sa CO2 viaže na derivát cukru s 5 atómami uhlíka, ktorý sa nazýva 1,5-bisfosfát ribulózy. Táto reakcia je katalyzovaná enzýmom ribulóza-1,5-bisfosfátkarboxyláza / oxygenáza, oveľa viac známym ako Rubisco, Tento enzým sa považuje za najhojnejší proteín na svete, pretože je prítomný vo všetkých rastlinách, ktoré podstupujú fotosyntézu.

Tento medziprodukt so šiestimi atómami uhlíka je nestabilný a štiepi sa na pár troch atómov uhlíka nazývaný fosfoglycerát. Tieto sa potom fosforylujú kinázovým enzýmom za vzniku 1,3-bisfosfoglycerátu. Táto molekula sa potom premení na glyceraldehyd-3-fosfát (G3P), uvoľní molekuly fosfátu a spotrebuje NAPDH pochádzajúci zo svetelných reakcií.

G3P vytvorený v týchto reakciách sa potom môže dať do mnohých rôznych ciest, čo vedie k tvorbe glukózy, aminokyselín alebo lipidov, v závislosti od špecifických potrieb rastlinných buniek. Rastliny tiež syntetizujú polyméry glukózy, ktoré v ľudskej strave prispievajú k škrobu a vláknine.