Enzymaktivitet i fotosyntesen

Innhold

• Hva er fotosyntese?
• Fotosynteseligning
• Fotosyntese vs. cellulær respirasjon
• Strukturen av planter
• Strukturen av plantecellen
• Kloroplasten
• Lysreaksjonene
• De mørke reaksjonene
• Gå inn på Rubisco

Fotosyntese kan forsvarlig betegnes som den viktigste reaksjonen i all biologi. Undersøk ethvert matvev eller energiflytningssystem i verden, og du vil finne ut at det til slutt er avhengig av energi fra solen for stoffene som opprettholder organismer der. Dyr er avhengige av både de karbonbaserte næringsstoffene (karbohydrater) og oksygenet som fotosyntesen genererer, fordi selv dyr som får alt næringen sin ved å bytte på andre dyr, ender opp med å spise organismer som selv lever mest eller utelukkende på planter.

Fra fotosyntesen flyter dermed alle de andre prosessene for energiutveksling observert i naturen. I likhet med glykolyse og reaksjonene ved cellulær respirasjon, har fotosyntese en mengde trinn, enzymer og unike aspekter å vurdere, og forstå rollene som de spesifikke katalysatorene for fotosyntesen spiller i det som tilsvarer omdannelse av lys og gass til mat er avgjørende for å mestre grunnleggende biokjemi.

Hva er fotosyntese?

Fotosyntese hadde noe å gjøre med produksjonen av det siste du spiste, uansett hva det var. Hvis det var plantebasert, er påstanden grei. Hvis det var en hamburger, kom kjøttet nesten helt sikkert fra et dyr som selv nesten bodde nesten på planter. Så på noe annerledes, hvis solen skulle stenge seg av i dag uten å føre til at verden avkjøles, noe som ville føre til at planter var knappe, ville verdens matforsyning snart forsvinne; planter, som tydeligvis ikke er rovdyr, er helt i bunnen av enhver næringskjede.

Fotosyntese er tradisjonelt delt inn i lysreaksjonene og de mørke reaksjonene. Begge reaksjonene i fotosyntesen spiller kritiske roller; de førstnevnte er avhengige av tilstedeværelsen av sollys eller annen lysenergi, mens sistnevnte ikke avhenger av produktene fra lysreaksjonen for å ha underlag å jobbe med. I lysreaksjonene lages energimolekylene som planten trenger for å sette sammen karbohydrat, mens karbohydratsyntese i seg selv oppstår de mørke reaksjonene. Dette ligner på noen måter aerob respirasjon, der Krebs-syklusen, men ikke en vesentlig direkte kilde til ATP (adenosintrifosfat, "energivalutaen" for alle celler), genererer en god del mellommolekyler som driver dannelsen av en mye ATP i de påfølgende elektrontransportkjedereaksjonene.

Det kritiske elementet i planter som gjør at de kan utføre fotosyntese er klorofyll, et stoff som finnes i unike strukturer som kalles kloroplaster.

Fotosynteseligning

Nettosreaksjonen fra fotosyntesen er faktisk veldig enkel. Den slår fast at karbondioksid og vann, i nærvær av lysenergi, omdannes til glukose og oksygen underveis i prosessen.

6 CO₂ + lett + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Den generelle reaksjonen er en sum av lysreaksjoner og mørke reaksjoner av fotosyntesen:

Lysreaksjoner: 12 H₂O + lys → O₂ + 24 H⁺ + 24e⁻

Mørke reaksjoner: 6CO₂ + 24 H⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

Kort sagt bruker lysreaksjonene sollys for å skremme opp elektroner som planten deretter kanaliserer til å lage mat (glukose). Hvordan dette skjer i praksis er godt studert og er et vitnesbyrd om milliarder av år med biologisk evolusjon.

Fotosyntese vs. cellulær respirasjon

En vanlig misforståelse blant mennesker som studerer biovitenskap, er at fotosyntesen ganske enkelt er cellulær respirasjon i omvendt retning. Dette er forståelig, gitt at netto-reaksjonen fra fotosyntesen ser ut som cellulær respirasjon - starter med glykolyse og slutter med de aerobe prosessene (Krebs syklus og elektrontransportkjede) i mitokondrier - kjøres nøyaktig omvendt.

Reaksjonene som transformerer karbondioksid til glukose i fotosyntesen er imidlertid langt forskjellige enn de som brukes til å redusere glukose ned til karbondioksid i cellulær respirasjon. Husk at planter også bruker cellulær respirasjon. Kloroplastene er ikke "plantenes mitokondrier"; planter har mitokondrier, også.

Tenk på fotosyntesen som noe som skjer hovedsakelig fordi planter ikke har munn, men likevel er avhengige av å forbrenne glukose som et næringsstoff for å lage sitt eget drivstoff. Hvis planter ikke kan innta glukose, men likevel trenger en jevn tilførsel av den, må de gjøre det tilsynelatende umulige og lage det selv. Hvordan lager planter mat? De bruker eksternt lys for å drive små kraftverk inni dem for å gjøre det. At de kan gjøre det, avhenger i stor grad av hvordan de faktisk er strukturert.

Strukturen av planter

Strukturer som har mye overflateareal i forhold til deres masse, er godt posisjonert for å fange opp mye av sollyset som går. Dette er grunnen til at planter har blader. Det faktum at blader har en tendens til å være den grønneste delen av planter er et resultat av tettheten av klorofyll i blader, da det er her arbeidet med fotosyntesen gjøres.

Blader har utviklet porene i overflatene deres kalt stomata (entall: stomi). Disse åpningene er hvordan bladet kan kontrollere inn- og utkjøringen av CO₂, som er nødvendig for fotosyntesen, og O₂, som er et avfallsprodukt av prosessen. (Det er intuitivt å tenke på oksygen som avfall, men i denne innstillingen er det strengt tatt det det er.)

Disse stomatene hjelper også bladet med å regulere vanninnholdet. Når vann er rikelig, er bladene stive og "oppblåst", og stomiene er tilbøyelige til å forbli lukket. Motsatt, når vann er mangelvare, åpnes stomiene i et forsøk på å hjelpe bladet å gi seg næring.

Strukturen av plantecellen

Plante celler er eukaryote celler, noe som betyr at de har begge de fire strukturene som er felles for alle celler (DNA, en cellemembran, cytoplasma og ribosomer) og en rekke spesialiserte organeller. Plante celler har imidlertid, i motsetning til dyre- og andre eukaryote celler, cellevegger, som bakterier, men konstruert ved bruk av forskjellige kjemikalier.

Plantecellene har også kjerner, og organellene deres inkluderer mitokondrier, endoplasmatisk retikulum, Golgi-legemer, et cytoskelett og vakuoler. Men den kritiske forskjellen mellom planteceller og andre eukaryote celler er at planteceller inneholder kloroplaster.

Kloroplasten

I planteceller er organeller kalt kloroplast. I likhet med mitokondrier antas disse å ha blitt innlemmet i eukaryote organismer relativt tidlig i utviklingen av eukaryoter, med enheten som var bestemt til å bli en kloroplast som da eksisterte som en frittstående fotosyntesepresterende prokaryote.

Kloroplasten, som alle organeller, er omgitt av en dobbel plasmamembran. Innenfor denne membranen er stromaen, som fungerer på samme måte som cytoplasmaet til kloroplastene. Også innenfor kloroplastene er kropper kalt thylakoid, som er anordnet som myntbunker og lukket av en egen membran.

Klorofyll regnes som "pigmentet i fotosyntesen, men det er flere forskjellige typer klorofyll, og andre pigmenter enn klorofyll deltar også i fotosyntesen. Det viktigste pigmentet som brukes i fotosyntesen er klorofyll A. Noen ikke-klorofyllpigmenter som tar del i fotosyntetiske prosesser er røde, brune eller blå i fargen.

Lysreaksjonene

Lysreaksjonene ved fotosyntesen bruker lysenergi for å fortrenge hydrogenatomer fra vannmolekyler, med disse hydrogenatomene, drevet av strømmen av elektroner som til slutt frigjøres av innkommende lys, og brukes til å syntetisere NADPH og ATP, som er nødvendige for de påfølgende mørke reaksjonene.

Lysreaksjonene oppstår på thylakoidmembranen, inne i kloroplasten, inne i plantecellen. De kommer i gang når lys treffer et protein-klorofyllkompleks som heter fotosystem II (PSII). Dette enzymet er det som frigjør hydrogenatomene fra vannmolekyler. Oksygenet i vannet er da fritt, og elektronene som frigjøres i prosessen er festet til et molekyl som kalles plastokinol, og gjør det til plastokkinon. Dette molekylet overfører igjen elektronene til et enzymkompleks kalt cytokrom b6f. Denne ctyb6f tar elektronene fra plastokinon og flytter dem til plastocyanin.

På dette punktet, fotosystem I (PSI) kommer på jobben. Dette enzymet tar elektronene fra plastocyanin og fester dem til en jernholdig forbindelse kalt ferredoksin. Til slutt et enzym kalt ferredoksin-NADP⁺reduktase (FNR) for å lage NADPH fra NADP⁺. Du trenger ikke å huske alle disse forbindelsene utenat, men det er viktig å ha en følelse av den overlappende, "overlevering" karakteren av de involverte reaksjonene.

Når PSII også frigjør hydrogen fra vann til kraft de ovennevnte reaksjonene, har noe av det hydrogen en tendens til å ønske å forlate thylakoid for stroma, nedover konsentrasjonsgradienten. Thylakoidmembranen utnytter denne naturlige utstrømningen ved å bruke den til å drive en ATP-syntasepumpe i membranen, som fester fosfatmolekyler til ADP (adenosindifosfat) for å lage ATP.

De mørke reaksjonene

De mørke reaksjonene fra fotosyntesen er så navngitt fordi de ikke er avhengige av lys. Imidlertid kan de oppstå når lys er til stede, så et mer nøyaktig, hvis mer tungvint, navnet er "lysuavhengige reaksjoner. "For å fjerne saken ytterligere, er de mørke reaksjonene også kjent som Calvin syklus.

Se for deg at når du inhalerer luft inn i lungene, kan karbondioksid i den luften komme seg inn i cellene dine, som deretter vil bruke den til å lage det samme stoffet som er resultatet av at kroppen din bryter ned maten du spiser. Faktisk, på grunn av dette, vil du aldri trenger å spise i det hele tatt. Dette er i hovedsak levetiden til en plante som bruker CO₂ den samler seg fra omgivelsene (som stort sett er der som et resultat av metabolske prosesser fra andre eukaryoter) for å lage glukose, som den da enten lagrer eller brenner for egne behov.

Du har allerede sett at fotosyntesen starter med å banke hydrogenatomer fri for vann og bruke energien fra disse atomene til å lage noen NADPH og noen ATP. Men så langt har det ikke blitt nevnt andre innspill til fotosyntesen, CO2. Nå ser du hvorfor alt det NADPH og ATP ble høstet i utgangspunktet.

Gå inn på Rubisco

I det første trinnet av de mørke reaksjonene er CO2 festet til et fem-karbon sukkerderivat kalt ribulose 1,5-bisfosfat. Denne reaksjonen katalyseres av enzymet ribulose-1,5-bisfosfatkarboksylase / oksygenase, mye mer minneverdig kjent som Rubisco. Dette enzymet antas å være det mest tallrike proteinet i verden, gitt at det er til stede i alle planter som gjennomgår fotosyntesen.

Dette seks-karbon mellomproduktet er ustabilt og deler seg i et par tre-karbon molekyler kalt fosfoglycerat. Disse fosforyleres deretter av et kinaseenzym for å danne 1,3-bisfosfoglyserat. Dette molekylet blir deretter omdannet til glyseraldehyd-3-fosfat (G3P), frigjør fosfatmolekyler og konsumerer NAPDH avledet fra lysreaksjonene.

G3P opprettet i disse reaksjonene kan deretter settes inn i en rekke forskjellige veier, noe som resulterer i dannelse av glukose, aminosyrer eller lipider, avhengig av plantenes spesifikke behov. Planter syntetiserer også polymerer av glukose som i menneskets kosthold bidrar med stivelse og fiber.