Komponenter i fotosyntes

Innehåll

• Komponenter i fotosyntes
• Sammanfattning av fotosyntes
• Hur lämnar stöd för fotosyntes
• Kloroplaster: Fabriker av fotosyntes
• Vad är Thylakoids för?
• Ljusreaktionerna: Ljus når Thylakoid-membranet
• Ljusreaktionerna: Elektrontransport
• Ljusreaktionerna: Fotofosforylering
• The Dark Reaction: Carbon Fixation

Växter är utan tvekan människors favorit levande saker utanför djurriket. Bortsett från växternas förmåga att mata världens människor - utan frukt, grönsaker, nötter och säd, det är osannolikt att du eller den här artikeln skulle existera - är växter värdade för sin skönhet och sin roll i all slags mänsklig ceremoni. Att de lyckas göra detta utan förmågan att röra sig eller äta är verkligen anmärkningsvärt.

Växter använder faktiskt samma basmolekyl som alla livsformer gör för att växa, överleva och reproducera: det lilla, sexkoliga, ringformade kolhydratet glukos. Men istället för att äta källor till detta socker, gör de det istället. Hur är detta möjligt, och med tanke på att det är det, varför inte människor och andra djur helt enkelt gör samma sak och sparar själva besväret med att jaga, samla, lagra och konsumera mat?

Svaret är fotosyntes, serien med kemiska reaktioner där växtceller använder energi från solljus för att framställa glukos. Växterna använder sedan en del av glukosen för sina egna behov medan resten finns kvar för andra organismer.

Komponenter i fotosyntes

Astute studenter kanske är snabba att fråga, "Under fotosyntes i växter, vad är källan till kolet i sockermolekylen som växten producerar?" Du behöver inte ha en vetenskapsgrad för att anta att "energi från solen" består av ljus, och att ljuset inte innehåller några av de element som utgör de molekyler som oftast finns i levande system. (Ljus består av fotoner, som är massfria partiklar som inte finns på elementets periodiska tabell.)

Det enklaste sättet att introducera de olika delarna av fotosyntesen är att börja med den kemiska formeln som sammanfattar hela processen.

6 H₂O + 6 CO₂ → C₆H₁₂O₆+ 6 O₂

Således är råvarorna från fotosyntesen vatten (H₂O) och koldioxid (CO₂), som båda är rikliga på marken och i atmosfären, medan produkterna är glukos (C₆H₁₂O₆) och syrgas (O₂).

Sammanfattning av fotosyntes

En schematisk sammanfattning av fotosyntesprocessen, vars komponenter beskrivs i detalj i efterföljande avsnitt, är som följer. (För tillfället, oroa dig inte för förkortningar som du kanske inte är bekant med.)

De första fyra av dessa steg är kända som ljusreaktioner eller ljusberoende reaktioner, eftersom de är helt beroende av solljus för att fungera. Calvincykeln kallas däremot mörk reaktion, även känd som ljusoberoende reaktioner. Medan namnet antyder kan den mörka reaktionen fungera utan en ljuskälla, men förlitar sig på produkter som skapats i de ljusberoende reaktionerna för att fortsätta.

Hur lämnar stöd för fotosyntes

Om du någonsin har tittat på ett diagram över ett tvärsnitt av människohud (det vill säga hur det skulle se ut från sidan om du kunde titta på det hela vägen från ytan till vilken vävnad som huden möter under), du kanske har noterat att huden innehåller distinkta lager. Dessa lager innehåller olika komponenter i olika koncentrationer, såsom svettkörtlar och hårsäckar.

Bladets anatomi är ordnad på liknande sätt, med undantag av att bladen vetter mot omvärlden på två sidor. Flyttar sig från toppen av bladet (anses vara den som vetter mot ljuset oftast) till undersidan, inkluderar lagren ytterhud, en vaxartad, tunn skyddsbeläggning; de övre överhuden; de mesophyll; de nedre överhuden; och ett andra nagelbandskikt.

Mesofyllen innehåller en övre palissad skikt, med celler arrangerade i snygga kolumner och ett lägre svampig lager, som har färre celler och större avstånd mellan dem. Fotosyntes äger rum i mesofylln, vilket är meningsfullt eftersom det är det mest ytliga lagret av ett blad av vilket ämne som helst och är närmast allt ljus som träffar bladens yta.

Kloroplaster: Fabriker av fotosyntes

Organismer som måste få sin näring från organiska molekyler i sin miljö (det vill säga från ämnen som människor kallar "mat") är kända som heterotrofa. Växter, å andra sidan, är autotrophs genom att de bygger dessa molekyler inuti sina celler och sedan använder det de behöver av det innan resten av det tillhörande kolet återförs till ekosystemet när växten dör eller äts.

Fotosyntes förekommer i organeller ("små organ") i växtceller som kallas kloroplaster. Organeller, som endast finns i eukaryota celler, omges av ett dubbelplasmamembran som strukturellt liknar det som omger cellen i sin helhet (vanligtvis bara kallat cellmembranet).

De funktionella enheterna för fotosyntes är tylakoider. Dessa strukturer förekommer i både fotosyntetiska prokaryoter, såsom cyanobakterier (blågröna alger) och växter. Men eftersom endast eukaryoter har membranbundna organeller, sitter tylakoiderna i prokaryoterna fria i cellens cytoplasma, precis som DNA i dessa organismer gör på grund av bristen på en kärna i prokaryoter.

Vad är Thylakoids för?

Hos växter är tylakoidmembranet faktiskt kontinuerligt med själva kloroplastens membran. Tylakoider är därför som organeller inom organeller. De är ordnade i runda travar, som middagstallerken i ett skåp - ihåliga middagstallerken, det vill säga. Dessa staplar kallas granaoch interiörerna i tylakoiderna är anslutna i ett mazliknande nätverk av rör. Utrymmet mellan thylakoider och det inre kloroplastmembranet kallas stroma.

Thylakoider innehåller ett pigment som kallas klorofyll, som är ansvarig för den gröna färgen som de flesta växter ställer ut i någon form. Men viktigare än att erbjuda det mänskliga ögat ett glansigt utseende, klorofyll är det som "fångar" solljus (eller för den delen, konstgjort ljus) i kloroplasten, och därför ämnet som gör att fotosyntesen kan fortsätta i första hand.

Det finns faktiskt flera olika pigment som bidrar till fotosyntes, varvid klorofyll A är det primära. Förutom klorofyllvarianter svarar många andra pigment i tylakoider på ljus, inklusive röda, bruna och blå typer. Dessa kan vidarebefordra inkommande ljus till klorofyll A, eller de kan hjälpa till att förhindra att cellen skadas av ljus genom att tjäna som lokkverk av något slag.

Ljusreaktionerna: Ljus når Thylakoid-membranet

När solljus eller ljusenergi från en annan källa når tylakoidmembranet efter att ha passerat genom bladbotten, växtcellväggen, lagren i cellmembranet, de två skikten i kloroplastmembranet och slutligen stroma, möter den ett par nära besläktade multi-proteinkomplex kallade photosystems.

Komplexet som kallas Photosystem I skiljer sig från sitt kamrat Photosystem II genom att det svarar annorlunda på olika våglängder för ljus; dessutom innehåller de två fotosystemen något olika versioner av klorofyll A. Fotosystem I innehåller en form som heter P700, medan Photosystem II använder en form som heter P680. Dessa komplex innehåller ett ljusskördande komplex och ett reaktionscenter. När ljus når dessa, lossnar det elektroner från molekyler i klorofylen, och dessa fortsätter till nästa steg i ljusreaktionerna.

Kom ihåg att nätekvationen för fotosyntes inkluderar båda CO₂ och H₂O som ingångar. Dessa molekyler passerar fritt in i växtens celler på grund av deras lilla storlek och är tillgängliga som reaktanter.

Ljusreaktionerna: Elektrontransport

När elektroner sparkas fritt från klorofyllmolekyler av inkommande ljus, måste de på något sätt bytas ut. Detta görs främst genom delning av H₂O till syregas (O₂) och fria elektroner. O₂ i denna inställning är en avfallsprodukt (det är kanske svårt för de flesta människor att föreställa sig nyskapat syre som en avfallsprodukt, men sådana är vagarierna i biokemi), medan vissa av elektronerna går in i klorofyll i form av väte ( H).

Elektroner tar sig "ner" kedjan av molekyler inbäddade i tylakoidmembranet mot den slutliga elektronacceptorn, en molekyl som kallas nikotinamid adenindinukleotidfosfat (NADP⁺ ). Förstå att "ner" inte betyder vertikalt nedåt, utan nedåt i betydelsen av gradvis lägre energi. När elektronerna når NADP⁺, dessa molekyler kombineras för att skapa den reducerade formen av elektronbäraren, NADPH. Denna molekyl är nödvändig för den efterföljande mörka reaktionen.

Ljusreaktionerna: Fotofosforylering

Samtidigt som NADPH genereras i det tidigare beskrivna systemet kallas en process photophosphorylation använder energi frigjord från andra elektroner som "tumlar" i tylakoidmembranet. Protonmotivkraften ansluts oorganiska fosfatmolekylereller P_jag, till adenosindifosfat (ADP) för att bilda adenosintrifosfat (ATP).

Denna process är analog med processen i cellulär andning känd som oxidativ fosforylering. Samtidigt genereras ATP i tylakoiderna i syfte att tillverka glukos under den mörka reaktionen, mitokondrier på andra håll i växtceller använder produkterna för nedbrytningen av en del av denna glukos för att göra ATP i cellulär andning för växterna ultimata metaboliska behov.

The Dark Reaction: Carbon Fixation

När CO₂ kommer in i växtceller, genomgår det en serie reaktioner, först tillsättes en molekyl med fem kol för att skapa en sexkol-mellanprodukt som snabbt delas upp i två tre-kolmolekyler. Varför är inte denna sexkolfmolekyl helt enkelt gjord direkt till glukos, även en sexkolmolekyl? Medan vissa av dessa tre-kolmolekyler lämnar processen och i själva verket används för att syntetisera glukos, behövs andra tre-kolmolekyler för att hålla cykeln igång, eftersom de kopplas till inkommande CO₂ för att göra den ovan angivna föreningen med fem kol.

Det faktum att energi från ljus utnyttjas i fotosyntes för att driva processer oberoende av ljus är vettigt med tanke på det faktum att solen stiger och går ner, vilket sätter växter i en position att behöva "hamstra" molekyler under dagen så att de kan gå åt att göra deras mat medan solen är under horisonten.

För nomenklaturändamål hänvisar Calvin-cykeln, den mörka reaktionen och kolfixeringen till samma sak som gör glukos. Det är viktigt att inse att utan en kontinuerlig ljusförsörjning skulle fotosyntes inte kunna inträffa. Växter kan trivas i miljöer där ljuset alltid finns, som i ett rum där lamporna aldrig är nedtonade. Men det omvända är inte sant: Utan ljus är fotosyntes omöjlig.