Komponenter av fotosyntesen

Innhold

• Komponenter av fotosyntesen
• Sammendrag av fotosyntese
• Hvordan blader støtter fotosyntesen
• Kloroplaster: Fabrikker av fotosyntese
• Hva er Thylakoids for?
• Lysreaksjonene: Lys når Thylakoid-membranen
• Lysreaksjonene: Elektrontransport
• Lysreaksjonene: Fotofosforylering
• Den mørke reaksjonen: karbonfiksering

Planter er uten tvil menneskehetens favoritt levende ting utenfor dyreriket. Bortsett fra plantenes evne til å mate verdens mennesker - uten frukt, grønnsaker, nøtter og korn, er det lite sannsynlig at du eller denne artikkelen vil eksistere - er ærbødige planter for sin skjønnhet og sin rolle i all slags menneskelig seremoni. At de klarer å gjøre dette uten evnen til å bevege seg eller spise, er virkelig bemerkelsesverdig.

Planter bruker faktisk det samme grunnleggende molekylet som alle livsformer gjør for å vokse, overleve og reprodusere: det lille, seks karbon, ringformede karbohydratet glukose. Men i stedet for å spise kilder til dette sukkeret, lager de det i stedet. Hvordan er dette mulig, og gitt at det er det, hvorfor ikke mennesker og andre dyr ganske enkelt gjør det samme og sparer seg for bryet med å jakte på, samle, lagre og konsumere mat?

Svaret er fotosyntese, serien med kjemiske reaksjoner der planteceller bruker energi fra sollys for å lage glukose. Plantene bruker deretter noe av glukosen til eget behov mens resten forblir tilgjengelig for andre organismer.

Komponenter av fotosyntesen

Støtte studenter kan være raske til å spørre: "Under fotosyntesen i planter, hva er kilden til karbonet i sukkermolekylet planten produserer?" Du trenger ikke en vitenskapsgrad for å anta at "energi fra solen" består av lys, og at lys inneholder ingen av elementene som utgjør molekylene som oftest finnes i levende systemer. (Lys består av fotoner, som er masseløse partikler som ikke finnes på det periodiske systemet for elementene.)

Den enkleste måten å introdusere de forskjellige delene av fotosyntesen er å begynne med den kjemiske formelen som oppsummerer hele prosessen.

6 H₂O + 6 CO₂ → C₆H₁₂O₆+ 6 O₂

Råvarene til fotosyntesen er således vann (H₂O) og karbondioksid (CO₂), som begge er rikelig på bakken og i atmosfæren, mens produktene er glukose (C₆H₁₂O₆) og oksygengass (O₂).

Sammendrag av fotosyntese

En skjematisk oversikt over fotosynteseprosessen, hvis komponenter er beskrevet i detalj i etterfølgende seksjoner, er som følger. (Foreløpig ikke bekymre deg for forkortelser som du kanskje ikke er kjent med.)

De fire første av disse trinnene er kjent som lysreaksjonene eller lysavhengige reaksjonene, ettersom de er avhengige av sollys for å fungere. I motsetning til dette kalles Calvin-syklusen mørk reaksjon, også kjent som lysuavhengige reaksjoner. Mens, som navnet antyder, den mørke reaksjonen kan fungere uten en kilde til lys, er den avhengig av produkter som er opprettet i lysavhengige reaksjoner for å fortsette.

Hvordan blader støtter fotosyntesen

Hvis du noen gang har sett på et diagram av et tverrsnitt av menneskelig hud (det vil si hvordan det ville se ut fra siden hvis du kunne se på det hele veien fra overflaten til det vevet huden møter under), kan ha bemerket at huden inneholder forskjellige lag. Disse lagene inneholder forskjellige komponenter i forskjellige konsentrasjoner, for eksempel svettekjertler og hårsekkene.

Anatomi av et blad er ordnet på en lignende måte, bortsett fra at blader vender mot omverdenen på to sider. Flytting fra toppen av bladet (anses å være den som vender mot lyset ofte) til undersiden, inkluderer lagene cuticle, en voksaktig, tynn beskyttelsesfrakk; de øvre overhuden; de mesophyll; de nedre overhuden; og et andre neglebåndslag.

Mesofyllen inkluderer en øvre palisade lag, med celler arrangert i pene kolonner, og et nedre svampete lag, som har færre celler og større avstand mellom dem. Fotosyntese foregår i mesofyllen, som er fornuftig fordi det er det mest overfladiske laget av et blad av noe stoff og er nærmest alt lys som treffer bladoverflaten.

Kloroplaster: Fabrikker av fotosyntese

Organismer som må få næring fra organiske molekyler i miljøet (det vil si fra stoffer mennesker kaller "mat") er kjent som heterotrophs. Planter er derimot autotrophs ved at de bygger disse molekylene inne i cellene sine og bruker deretter det de trenger av det før resten av det tilknyttede karbonet blir returnert til økosystemet når planten dør eller spises.

Fotosyntese forekommer i organeller ("små organer") i planteceller som kalles kloroplaster. Organeller, som bare er til stede i eukaryote celler, er omgitt av en dobbel plasmamembran som er strukturelt lik den som omgir cellen som helhet (vanligvis bare kalt cellemembranen).

De funksjonelle enhetene for fotosyntesen er thylakoider. Disse strukturene vises i både fotosyntetiske prokaryoter, for eksempel cyanobakterier (blågrønne alger) og planter. Men fordi bare eukaryoter har membranbundne organeller, sitter thylakoidene i prokaryoter frie i cytoplasmaen, akkurat som DNA i disse organismer, på grunn av mangelen på en kjerne i prokaryoter.

Hva er Thylakoids for?

Hos planter er thylakoidmembranen faktisk kontinuerlig med membranen til selve kloroplasten. Thylakoids er derfor som organeller i organeller. De er ordnet i runde stabler, som middagstallerkener i et skap - hule middagstallerkener, det vil si. Disse stablene heter grana, og interiøret i thylakoiden er koblet sammen i et mazelike nettverk av rør. Rommet mellom thylakoider og den indre kloroplastmembranen kalles stroma.

Thylakoids inneholder et pigment som heter klorofyll, som er ansvarlig for den grønne fargen de fleste planter viser i en eller annen form. Imidlertid viktigere enn å tilby det menneskelige øyet et skinnende utseende, klorofyll er det som "fanger opp" sollys (eller for den saks skyld kunstig lys) i kloroplasten, og derfor stoffet som gjør at fotosyntesen kan fortsette i utgangspunktet.

Det er faktisk flere forskjellige pigmenter som bidrar til fotosyntesen, hvor klorofyll A er den viktigste. I tillegg til klorofyllvarianter, reagerer mange andre pigmenter i thylakoider for lys, inkludert røde, brune og blå typer. Disse kan videresende innkommende lys til klorofyll A, eller de kan bidra til å forhindre at cellen blir skadet av lys ved å tjene som lokkeduer av en slags.

Lysreaksjonene: Lys når Thylakoid-membranen

Når sollys eller lysenergi fra en annen kilde når thylakoidmembranen etter å ha passert gjennom kutikula på bladet, plantecelleveggen, lagene i cellemembranen, de to lagene av kloroplastmembranen og til slutt stromaen, møter den et par nært beslektede multi-proteinkomplekser kalt photo.

Komplekset som kalles Photosystem I skiller seg fra kameraten Photosystem II ved at det reagerer forskjellig på forskjellige bølgelengder av lys; i tillegg inneholder de to fotosystemene litt forskjellige versjoner av klorofyll A. Fotosystem I inneholder en form som heter P700, mens Photosystem II bruker en form som heter P680. Disse kompleksene inneholder et lyshøstekompleks og et reaksjonssenter. Når lys når disse, løsner det elektroner fra molekyler i klorofyllen, og disse går videre til neste trinn i lysreaksjonene.

Husk at nettoligningen for fotosyntese inkluderer begge CO₂ og H₂O som innganger. Disse molekylene går fritt inn i cellene i planten på grunn av deres lille størrelse og er tilgjengelige som reaktanter.

Lysreaksjonene: Elektrontransport

Når elektroner blir sparket fri for klorofyllmolekyler av innkommende lys, må de på noen måte byttes ut. Dette gjøres hovedsakelig ved splitting av H₂O til oksygengass (O₂) og gratiselektroner. O₂ i denne innstillingen er et avfallsprodukt (det er kanskje vanskelig for de fleste mennesker å se for seg nyopprettet oksygen som et avfallsprodukt, men slike er vagarene i biokjemi), mens noen av elektronene legger seg inn i klorofyll i form av hydrogen ( H).

Elektroner tar veien "nedover" kjeden av molekyler innebygd i thylakoidmembranen mot den endelige elektronakseptoren, et molekyl kjent som nikotinamidadenindinukleotidfosfat (NADP)⁺ ). Forstå at "ned" ikke betyr loddrett nedover, men nedover i betydningen gradvis lavere energi. Når elektronene når NADP⁺, disse molekylene kombineres for å skape den reduserte formen av elektronbæreren, NADPH. Dette molekylet er nødvendig for den påfølgende mørke reaksjonen.

Lysreaksjonene: Fotofosforylering

Samtidig som NADPH blir generert i systemet beskrevet tidligere, en prosess som heter fotofosforylering bruker energi frigjort fra andre elektroner som "tumler" i thylakoidmembranen. Proton-motivkraften kobles sammen uorganiske fosfatmolekylereller P_Jeg, til adenosindifosfat (ADP) for å danne adenosintrifosfat (ATP).

Denne prosessen er analog med prosessen i cellulær respirasjon kjent som oksidativ fosforylering. Samtidig som ATP blir generert i thylakoidene med det formål å fremstille glukose i den mørke reaksjonen, bruker mitokondrier andre steder i planteceller produktene fra nedbrytningen av noe av denne glukosen for å gjøre ATP i cellulær respirasjon for plantene til slutt metabolisme behov.

Den mørke reaksjonen: karbonfiksering

Når CO₂ kommer inn i planteceller, den gjennomgår en serie reaksjoner, først blir den tilsatt til et fem-karbonmolekyl for å lage et seks-karbon-mellomprodukt som raskt deles opp i to tre-karbonmolekyler. Hvorfor er ikke dette seks-karbon molekylet ganske enkelt gjort direkte til glukose, også et seks-karbon molekyl? Mens noen av disse tre-karbonmolekylene forlater prosessen og faktisk brukes til å syntetisere glukose, er det nødvendig med andre tre-karbonmolekyler for å holde syklusen i gang, ettersom de blir knyttet til innkommende CO₂ for å lage fem-karbonforbindelsen som er nevnt ovenfor.

Det at energi fra lys utnyttes i fotosyntesen for å drive prosesser uavhengig av lys er fornuftig gitt det faktum at solen står opp og går ned, noe som setter planter i posisjon til å "hamstre" molekyler i løpet av dagen slik at de kan gå i gang med å lage maten deres mens solen er under horisonten.

Når det gjelder nomenklatur, refererer Calvin-syklusen, den mørke reaksjonen og karbonfiksering alle til det samme som lager glukose. Det er viktig å innse at uten en jevn tilførsel av lys, kunne ikke fotosyntese oppstå. Planter kan trives i miljøer der lys alltid er til stede, som i et rom hvor lysene aldri er nedtonet. Men det omvendte er ikke sant: Uten lys er fotosyntese umulig.