Enzymaktivitet i fotosyntes

Innehåll

• Vad är fotosyntes?
• Fotosyntesekvation
• Fotosyntes mot cellulär respiration
• Växternas struktur
• Växtcellens struktur
• Kloroplasten
• Ljusreaktionerna
• De mörka reaktionerna
• Gå in i Rubisco

Fotosyntes kan försvarbart betecknas som den viktigaste reaktionen inom all biologi. Undersök alla livsmedelsbanor eller energiflödessystem i världen och du kommer att upptäcka att det i slutändan förlitar sig på energi från solen för de ämnen som upprätthåller organismerna däri. Djur förlitar sig på både de kolbaserade näringsämnena (kolhydrater) och syret som fotosyntesen genererar, eftersom även djur som får all sin näring genom att byta på andra djur avslutar ätande organismer som själva lever mestadels eller uteslutande på växter.

Från fotosyntesen flödar således alla andra processer för energiutbyte som observeras i naturen. Liksom glykolys och reaktionerna på cellulär respiration har fotosyntesen en mängd steg, enzymer och unika aspekter att beakta, och förstå de roller som de specifika katalysatorerna för fotosyntes spelar i vad som motsvarar omvandlingen av ljus och gas till mat är avgörande för att bemästra grundläggande biokemi.

Vad är fotosyntes?

Fotosyntes hade något att göra med produktionen av det sista du åt, oavsett vad det var. Om det var växtbaserat är påståendet enkelt. Om det var en hamburgare, kom köttet nästan säkert från ett djur som själv nästan helt bestod av växter. Såg på något annorlunda ut, om solen skulle stänga sig själv idag utan att få världen att svalna, vilket skulle leda till att växter är knappa, skulle världens livsmedelsförsörjning snart försvinna; växter, som helt klart inte är rovdjur, ligger längst ner i någon livsmedelskedja.

Fotosyntesen är traditionellt uppdelad i ljusreaktionerna och de mörka reaktionerna. Båda reaktionerna i fotosyntesen spelar kritiska roller; de förstnämnda förlitar sig på närvaron av solljus eller annan ljusenergi, medan de senare inte beror på produkterna från ljusreaktionen för att ha ett underlag att arbeta med. I ljusreaktionerna tillverkas energimolekylerna som växten behöver för att sätta ihop kolhydrater, medan kolhydratsyntesen själva inträffar de mörka reaktionerna. Detta liknar på vissa sätt aerob andning, där Krebs-cykeln, även om det inte är en viktig direkt källa till ATP (adenosintrifosfat, "energivaluta" för alla celler), genererar en hel del mellanliggande molekyler som driver skapandet av en mycket ATP i efterföljande elektrontransportkedjereaktioner.

Det kritiska elementet i växter som gör att de kan utföra fotosyntes är klorofyll, ett ämne som finns i unika strukturer som kallas kloroplaster.

Fotosyntesekvation

Nettosreaktionen från fotosyntesen är faktiskt väldigt enkel. Det säger att koldioxid och vatten, i närvaro av ljusenergi, omvandlas till glukos och syre under processen.

6 CO₂ + lätt + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Den totala reaktionen är en summa av ljusreaktioner och den mörka reaktioner av fotosyntes:

Ljusreaktioner: 12 H₂O + ljus → O₂ + 24 H⁺ + 24e⁻

Mörka reaktioner: 6CO₂ + 24 H⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

Kort sagt, ljusreaktionerna använder solljus för att skrämma elektroner som växten sedan kanaliserar till att göra mat (glukos). Hur detta sker i praktiken har studerats väl och är ett bevis på miljarder år av biologisk utveckling.

Fotosyntes mot cellulär respiration

En vanlig missuppfattning bland personer som studerar biovetenskap är att fotosyntes helt enkelt är cellulär andning i omvänd riktning. Detta är förståeligt med tanke på att fotosyntesens reaktion ser ut precis som cellulär respiration - börjar med glykolys och slutar med de aeroba processerna (Krebs cykel och elektrontransportkedja) i mitokondrier - kör exakt omvänd.

Reaktionerna som omvandlar koldioxid till glukos vid fotosyntes är emellertid mycket annorlunda än de som används för att reducera glukos ner till koldioxid vid cellulär andning. Växter, kom ihåg, använder också cellulär andning. Klorplaster är inte "växternas mitokondrier"; växter har mitokondrier också.

Tänk på fotosyntes som något som händer främst för att växter inte har mun, men ändå förlitar sig på att förbränna glukos som ett näringsämne för att göra sitt eget bränsle. Om växter inte kan äta glukos men ändå kräver en stadig tillförsel av det, måste de göra det till synes omöjliga och göra det själva. Hur gör växter mat? De använder yttre ljus för att driva små kraftverk inuti dem för att göra det. Att de kan göra det beror till stor del på hur de faktiskt är strukturerade.

Växternas struktur

Strukturer som har mycket ytyta i förhållande till deras massa är väl positionerade för att fånga upp en hel del av solljuset som passerar. Det är därför växter har blad. Det faktum att löv tenderar att vara den grönaste delen av växter är resultatet av klorofyllens täthet i bladen, eftersom det är här som fotosyntesarbetet utförs.

Bladen har utvecklats porer i sina ytor som kallas stomata (singular: stomi). Dessa öppningar är det sätt på vilket bladet kan kontrollera in- och utloppet av CO₂, som behövs för fotosyntes, och O₂, som är en avfallsprodukt från processen. (Det är motsägelsefullt att tänka på syre som avfall, men i denna inställning är det absolut vad det är.)

Dessa stomata hjälper också bladet att reglera dess vatteninnehåll. När vattnet är rikligt är bladen mer styva och "uppblåsta" och stomaten lutar att förbli stängd. Omvänt, när vattnet är knappt, öppnar stomaten i ett försök att hjälpa bladet att nära sig själv.

Växtcellens struktur

Växtceller är eukaryota celler, vilket betyder att de har både de fyra strukturerna som är gemensamma för alla celler (DNA, ett cellmembran, cytoplasma och ribosomer) och ett antal specialiserade organeller. Växtceller har, till skillnad från djur och andra eukaryota celler, cellväggar, som bakterier gör men konstruerade med olika kemikalier.

Växtceller har också kärnor, och deras organeller inkluderar mitokondrier, endoplasmatisk retikulum, Golgi-kroppar, ett cytoskelett och vakuoler. Men den kritiska skillnaden mellan växtceller och andra eukaryota celler är att växtceller innehåller kloroplaster.

Kloroplasten

Inom växtceller finns organeller som kallas kloroplaster. Liksom mitokondrier antas dessa ha införlivats i eukaryota organismer relativt tidigt i utvecklingen av eukaryoter, med den enhet som är avsedd att bli en kloroplast som sedan existerar som en fristående fotosyntes-utförande prokaryot.

Kloroplasten, som alla organeller, omges av ett dubbelt plasmamembran. Inom detta membran är stroma, som fungerar på samma sätt som cytoplasma av kloroplast. Inom kloroplasterna finns också kroppar som kallas thylakoid, som är arrangerade som myntstaplar och omslutna av ett eget membran.

Klorofyll anses vara "pigmentet av fotosyntes, men det finns flera olika typer av klorofyll, och andra pigment än klorofyll deltar också i fotosyntesen. Det huvudsakliga pigmentet som används vid fotosyntesen är klorofyll A. Vissa icke-klorofyllpigment som deltar i fotosyntetiska processer är röda, bruna eller blå i färg.

Ljusreaktionerna

Ljusreaktionerna i fotosyntesen använder ljusenergi för att förskjuta väteatomer från vattenmolekyler, med dessa väteatomer, drivna av flödet av elektroner som slutligen frigörs av inkommande ljus, som används för att syntetisera NADPH och ATP, som behövs för de efterföljande mörka reaktionerna.

Ljusreaktionerna inträffar på tylakoidmembranet, inuti kloroplasten, inuti växtcellen. De kommer igång när ljus slår ett protein-klorofyllkomplex som kallas fotosystem II (PSII). Detta enzym är det som frigör väteatomerna från vattenmolekyler. Syret i vattnet är då fritt, och de elektroner som frigörs i processen fästs på en molekyl som kallas plastokinol och förvandlar den till plastokinon. Denna molekyl överför i sin tur elektronerna till ett enzymkomplex som kallas cytokrom b6f. Denna ctyb6f tar elektronerna från plastokinon och flyttar dem till plastocyanin.

Vid denna punkt, fotosystem I (PSI) kommer på jobbet. Detta enzym tar elektronerna från plastocyanin och fäster dem till en järnhaltig förening som kallas ferredoxin. Slutligen ett enzym som heter ferredoxin – NADP⁺reduktas (FNR) för att göra NADPH från NADP⁺. Du behöver inte memorera alla dessa föreningar, men det är viktigt att ha en känsla av den kaskadande, "avleverande" karaktären av de inblandade reaktionerna.

När PSII frigör väte från vatten för att driva ovanstående reaktioner, tenderar en del av det väte att vilja lämna thylakoiden för stroma, ner dess koncentrationsgradient. Tylakoidmembranet utnyttjar detta naturliga utflöde genom att använda det för att driva en ATP-syntaspump i membranet, som fäster fosfatmolekyler till ADP (adenosindifosfat) för att göra ATP.

De mörka reaktionerna

De mörka reaktionerna av fotosyntesen är så kallade eftersom de inte litar på ljus. Men de kan uppstå när ljus är närvarande, så ett mer exakt, om mer besvärligt, namn är "ljusoberoende reaktioner. "För att rensa saken ytterligare är de mörka reaktionerna tillsammans också kända som Calvin cykel.

Föreställ dig att när du inhalerar luft i lungorna kan koldioxiden i den luften komma in i dina celler, som sedan skulle använda den för att göra samma substans som är resultatet av att din kropp bryter ner maten du äter. På grund av detta skulle du aldrig behöva äta alls. Detta är i huvudsak livslängden för en växt som använder CO₂ den samlas från miljön (som till stor del är ett resultat av metaboliska processer från andra eukaryoter) för att skapa glukos, som den antingen lagrar eller bränner för sina egna behov.

Du har redan sett att fotosyntesen börjar med att slå väteatomer fria från vatten och använda energin från dessa atomer för att göra lite NADPH och lite ATP. Men hittills har det inte nämnts någon annan inmatning i fotosyntes, CO2. Nu ser du varför allt det NADPH och ATP skördades i första hand.

Gå in i Rubisco

I det första steget av de mörka reaktionerna är CO2 bundet till ett femkolsockerivat der kallas ribulosa 1,5-bisfosfat. Denna reaktion katalyseras av enzymet ribulosa-1,5-bisfosfatkarboxylas / syrgas, mycket mer minnesvärt känt som Rubisco. Detta enzym tros vara det vanligaste proteinet i världen, med tanke på att det finns i alla växter som genomgår fotosyntes.

Denna sexkoliga mellanprodukt är instabil och delas upp i ett par tre-kolmolekyler som kallas fosfoglycerat. Dessa fosforyleras sedan av ett kinasenzym för att bilda 1,3-bisfosfoglycerat. Denna molekyl omvandlas sedan till glyceraldehyd-3-fosfat (G3P), frigör fosfatmolekyler och konsumerar NAPDH härrörande från ljusreaktionerna.

G3P som skapas i dessa reaktioner kan sedan placeras i ett antal olika vägar, vilket resulterar i bildandet av glukos, aminosyror eller lipider, beroende på växtcellernas specifika behov. Växter syntetiserar också polymerer av glukos som i den mänskliga dieten bidrar med stärkelse och fiber.