Δραστηριότητα ενζύμου στη φωτοσύνθεση

Περιεχόμενο

• Τι είναι η φωτοσύνθεση;
• Εξίσωση φωτοσύνθεσης
• Φωτοσύνθεση έναντι κυτταρικής αναπνοής
• Η δομή των φυτών
• Δομή του φυτικού κυττάρου
• Ο Χλωρόπλαστος
• Οι αντιδράσεις του φωτός
• Οι σκοτεινές αντιδράσεις
• Πληκτρολογήστε το Rubisco

Η φωτοσύνθεση μπορεί να χαρακτηριστεί με ασφάλεια ως η πιο σημαντική αντίδραση σε όλη τη βιολογία. Εξετάστε κάθε διατροφικό ιστό ή σύστημα ροής ενέργειας στον κόσμο και θα διαπιστώσετε ότι τελικά βασίζεται στην ενέργεια από τον ήλιο για τις ουσίες που διατηρούν τους οργανισμούς εκεί. Τα ζώα βασίζονται τόσο στα θρεπτικά συστατικά (υδατάνθρακες) με βάση τον άνθρακα όσο και στο οξυγόνο που δημιουργεί η φωτοσύνθεση, διότι ακόμη και τα ζώα που παίρνουν όλη τη διατροφή τους πεθαίνουν σε άλλα ζώα καταλήγουν να τρώνε οργανισμούς που ζουν κυρίως ή αποκλειστικά σε φυτά.

Από τη φωτοσύνθεση ρέουν έτσι όλες οι άλλες διαδικασίες ανταλλαγής ενέργειας που παρατηρούνται στη φύση. Όπως η γλυκόλυση και οι αντιδράσεις της κυτταρικής αναπνοής, η φωτοσύνθεση έχει μια σειρά από βήματα, ένζυμα και μοναδικές πτυχές που πρέπει να εξεταστούν και η κατανόηση των ρόλων που παίζουν οι συγκεκριμένοι καταλύτες της φωτοσύνθεσης σε αυτό που ισοδυναμεί με τη μετατροπή του φωτός και του αερίου βασική βιοχημεία.

Τι είναι η φωτοσύνθεση;

Η φωτοσύνθεση είχε κάτι να κάνει με την παραγωγή του τελευταίου πράγμα που φάγατε, ό, τι και αν ήταν. Εάν ήταν φυτικής προέλευσης, ο ισχυρισμός είναι απλός. Εάν ήταν ένα χάμπουργκερ, το κρέας σχεδόν σίγουρα προερχόταν από ένα ζώο το οποίο το ίδιο έζησε σχεδόν αποκλειστικά στα φυτά. Κοίταξε κάπως διαφορετικά, αν ο ήλιος έκλεινε σήμερα χωρίς να αναγκάσει τον κόσμο να κρυώσει, πράγμα που θα οδηγούσε σε σπανιότητα των φυτών, η παγκόσμια προσφορά τροφίμων θα εξαφανιζόταν σύντομα. τα φυτά, τα οποία σαφώς δεν είναι αρπακτικά ζώα, βρίσκονται στον πυθμένα οποιασδήποτε τροφικής αλυσίδας.

Η φωτοσύνθεση διαιρείται παραδοσιακά στις αντιδράσεις του φωτός και στις σκοτεινές αντιδράσεις. Και οι δύο αντιδράσεις στη φωτοσύνθεση διαδραματίζουν κρίσιμους ρόλους. οι πρώτοι βασίζονται στην παρουσία ηλιακού φωτός ή άλλης φωτεινής ενέργειας, ενώ οι τελευταίοι δεν εξαρτώνται μόνο από τα προϊόντα της αντίδρασης φωτός για να έχουν το υπόστρωμα να δουλέψει. Στις αντιδράσεις φωτός, τα μόρια ενέργειας που χρειάζεται το φυτό για να συναρμολογήσουν υδατάνθρακες, ενώ η ίδια η σύνθεση υδατάνθρακα συμβαίνει στις σκοτεινές αντιδράσεις. Αυτό είναι παρόμοιο με μερικούς τρόπους με την αερόβια αναπνοή, όπου ο κύκλος του Krebs, αν και δεν αποτελεί σημαντική άμεση πηγή ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη, το «ενεργειακό νόμισμα» όλων των κυττάρων), δημιουργεί πολλά ενδιάμεσα μόρια που οδηγούν στη δημιουργία ενός πολύ ATP στις επακόλουθες αλυσιδωτές αντιδράσεις μεταφοράς ηλεκτρονίων.

Το κρίσιμο στοιχείο στα φυτά που τους επιτρέπει να διεξάγουν φωτοσύνθεση είναι χλωροφύλλη, μια ουσία που βρίσκεται σε μοναδικές δομές που ονομάζονται χλωροπλάστες.

Εξίσωση φωτοσύνθεσης

Η καθαρή αντίδραση της φωτοσύνθεσης είναι στην πραγματικότητα πολύ απλή. Δηλώνει ότι το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό, παρουσία φωτεινής ενέργειας, μετατρέπονται σε γλυκόζη και οξυγόνο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας.

6 CO₂ + φως + 6 Η₂O → C₆H₁₂Ο₆ + 6 Ο₂

Η συνολική αντίδραση είναι ένα άθροισμα του αντιδράσεις φωτός και το σκοτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης:

Αντιδράσεις φωτός: 12 Η₂O + φως → O₂ + 24 Η⁺ + 24ε⁻

Σκοτεινές αντιδράσεις: 6CO₂ + 24 Η⁺ + 24 ε⁻ → C₆H₁₂Ο₆ + 6 Η₂Ο

Με λίγα λόγια, οι αντιδράσεις φωτός χρησιμοποιούν το φως του ήλιου για να τρομάξουν τα ηλεκτρόνια που το φυτό στη συνέχεια διοχετεύει στην παραγωγή τροφίμων (γλυκόζη). Ο τρόπος με τον οποίο συμβαίνει αυτό στην πράξη έχει μελετηθεί καλά και είναι μια απόδειξη για τα δισεκατομμύρια χρόνια βιολογικής εξέλιξης.

Φωτοσύνθεση έναντι κυτταρικής αναπνοής

Μια κοινή παρανόηση μεταξύ των ανθρώπων που μελετούν τις βιολογικές επιστήμες είναι ότι η φωτοσύνθεση είναι απλώς κυτταρική αναπνοή αντίστροφα. Αυτό είναι κατανοητό, δεδομένου ότι η καθαρή αντίδραση της φωτοσύνθεσης μοιάζει ακριβώς με την κυτταρική αναπνοή - ξεκινώντας από τη γλυκόλυση και τελειώνοντας με τις αερόβιες διαδικασίες (κύκλος Krebs και αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων) στα μιτοχόνδρια - τρέχει ακριβώς αντίστροφα.

Οι αντιδράσεις που μετασχηματίζουν το διοξείδιο του άνθρακα στη γλυκόζη στη φωτοσύνθεση είναι πολύ διαφορετικές από εκείνες που χρησιμοποιούνται για τη μείωση της γλυκόζης προς το διοξείδιο του άνθρακα στην κυτταρική αναπνοή. Φυτά, να έχετε κατά νου, επίσης να κάνουν χρήση της κυτταρικής αναπνοής. Οι χλωροπλάστες δεν είναι "τα μιτοχόνδρια των φυτών". Τα φυτά έχουν επίσης μιτοχόνδρια.

Σκεφτείτε τη φωτοσύνθεση ως κάτι που συμβαίνει κυρίως επειδή τα φυτά δεν έχουν στόμα, αλλά εξακολουθούν να βασίζονται στην καύση γλυκόζης ως θρεπτικό συστατικό για να φτιάξουν το δικό τους καύσιμο. Αν τα φυτά δεν μπορούν να καταπιούν τη γλυκόζη και εξακολουθούν να χρειάζονται μια σταθερή παροχή, τότε πρέπει να κάνουν το φαινομενικά αδύνατο και να το κάνουν οι ίδιοι. Πώς τα φυτά κάνουν φαγητό; Χρησιμοποιούν εξωτερικό φως για να οδηγήσουν μικροσκοπικές μονάδες παραγωγής ενέργειας μέσα τους για να το κάνουν. Το ότι μπορούν να το κάνουν εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον τρόπο με τον οποίο είναι πραγματικά δομημένες.

Η δομή των φυτών

Οι δομές που έχουν μεγάλη επιφάνεια σε σχέση με τη μάζα τους είναι καλά τοποθετημένες για να συλλάβουν μεγάλο μέρος του ηλιακού φωτός που περνάει το δρόμο τους. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα φυτά έχουν φύλλα. Το γεγονός ότι τα φύλλα τείνουν να είναι το πιο πράσινο μέρος των φυτών είναι το αποτέλεσμα της πυκνότητας της χλωροφύλλης στα φύλλα, καθώς αυτό γίνεται όπου γίνεται η εργασία της φωτοσύνθεσης.

Τα φύλλα έχουν εξελίξει πόρους στις επιφάνειές τους που ονομάζονται stomata (μοναδικές: stoma). Αυτά τα ανοίγματα είναι τα μέσα με τα οποία το φύλλο μπορεί να ελέγχει την είσοδο και έξοδο του CO₂, η οποία απαιτείται για τη φωτοσύνθεση, και το Ο₂, το οποίο είναι ένα απόβλητο προϊόν της διαδικασίας. (Είναι αντίθετο να σκεφτόμαστε το οξυγόνο ως απόβλητο, αλλά σε αυτό το πλαίσιο, αυστηρά, αυτό είναι αυτό που είναι).

Αυτά τα stomata επίσης βοηθούν τον φύλλο να ρυθμίζει το περιεχόμενο νερού του. Όταν το νερό είναι άφθονο, τα φύλλα είναι πιο άκαμπτα και "φουσκωμένα" και τα στομάχια έχουν την τάση να παραμένουν κλειστά. Αντίθετα, όταν το νερό είναι σπάνιο, τα stomata ανοίγουν σε μια προσπάθεια να βοηθήσουν το φύλλο να τρέφεται.

Δομή του φυτικού κυττάρου

Τα φυτικά κύτταρα είναι ευκαρυωτικά κύτταρα, που σημαίνουν ότι έχουν αμφότερες τις τέσσερις δομές που είναι κοινές σε όλα τα κύτταρα (DNA, κυτταρική μεμβράνη, κυτταρόπλασμα και ριβοσώματα) και μια σειρά εξειδικευμένων οργανιδίων. Τα φυτικά κύτταρα, ωστόσο, σε αντίθεση με τα ζωικά και άλλα ευκαρυωτικά κύτταρα, έχουν κυτταρικά τοιχώματα, όπως τα βακτήρια, αλλά κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας διαφορετικές χημικές ουσίες.

Τα φυτικά κύτταρα έχουν επίσης πυρήνες και τα οργανίδια τους περιλαμβάνουν τα μιτοχόνδρια, το ενδοπλασματικό δίκτυο, τα σώματα Golgi, έναν κυτταροσκελετό και τα κενοτόπια. Αλλά η κρίσιμη διαφορά μεταξύ φυτικών κυττάρων και άλλων ευκαρυωτικών κυττάρων είναι ότι περιέχουν φυτικά κύτταρα χλωροπλάστες.

Ο Χλωρόπλαστος

Εντός των φυτικών κυττάρων είναι οργανίδια που ονομάζονται χλωροπλάστες. Όπως και τα μιτοχόνδρια, αυτά πιστεύεται ότι έχουν ενσωματωθεί σε ευκαρυωτικούς οργανισμούς σχετικά νωρίς στην εξέλιξη των ευκαρυωτικών, με την οντότητα που προορίζεται να γίνει χλωροπλάστη και στη συνέχεια υπάρχει ως ελεύθερος-προκαρυώτης που εκτελεί φωτοσύνθεση.

Ο χλωροπλάστης, όπως όλα τα οργανίδια, περιβάλλεται από μια διπλή μεμβράνη πλάσματος. Μέσα σε αυτή τη μεμβράνη είναι το στρώμα, το οποίο λειτουργεί σαν το κυτταρόπλασμα των χλωροπλαστών. Επίσης μέσα στους χλωροπλάστες είναι τα σώματα που ονομάζονται tylakoid, τα οποία είναι διατεταγμένα όπως στοίβες νομισμάτων και περικλείονται από μια μεμβράνη δική τους.

Η χλωροφύλλη θεωρείται "η" χρωστική της φωτοσύνθεσης, αλλά υπάρχουν αρκετοί διαφορετικοί τύποι χλωροφύλλης και στη φωτοσύνθεση συμμετέχουν και άλλες χρωστικές ουσίες εκτός από τη χλωροφύλλη. Η κύρια χρωστική ουσία που χρησιμοποιείται στη φωτοσύνθεση είναι η χλωροφύλλη Α. Ορισμένες χρωστικές ουσίες μη χλωροφύλλης που συμμετέχουν στις φωτοσυνθετικές διεργασίες είναι χρώματος κόκκινου, καφέ ή μπλε.

Οι αντιδράσεις του φωτός

Οι φωτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης χρησιμοποιούν φωτεινή ενέργεια για να μετατοπίσουν άτομα υδρογόνου από μόρια νερού, με αυτά τα άτομα υδρογόνου, που τροφοδοτούνται από τη ροή των ηλεκτρονίων που τελικά απελευθερώνονται από το εισερχόμενο φως και χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση του NADPH και του ΑΤΡ, τα οποία απαιτούνται για τις επακόλουθες σκοτεινές αντιδράσεις.

Οι αντιδράσεις φωτός εμφανίζονται στην μεμβράνη θυλακοειδούς, εντός του χλωροπλάστη, εντός του φυτικού κυττάρου. Παίρνουν σε εξέλιξη όταν το φως χτυπά ένα σύμπλοκο πρωτεΐνης-χλωροφύλλη που ονομάζεται φωτοσύστημα II (PSII). Αυτό το ένζυμο είναι αυτό που απελευθερώνει τα άτομα υδρογόνου από τα μόρια του νερού. Το οξυγόνο στο νερό είναι στη συνέχεια ελεύθερο και τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται στη διαδικασία συνδέονται με ένα μόριο που ονομάζεται πλακοκινολίνη, μετατρέποντάς το σε πλαστοκινόνη. Αυτό το μόριο με τη σειρά του μεταφέρει τα ηλεκτρόνια σε ένα σύμπλεγμα ενζύμων που ονομάζεται cytochrome b6f. Αυτό το ctyb6f παίρνει τα ηλεκτρόνια από την πλαστοκινόνη και τα μετακινεί στην πλαστοκυανίνη.

Σε αυτό το σημείο, φωτοσύστημα I (PSI) παίρνει τη δουλειά. Αυτό το ένζυμο παίρνει τα ηλεκτρόνια από την πλαστοκυανίνη και τα συνδέει με μια ένωση που περιέχει σίδηρο που ονομάζεται φερρεδοξίνη. Τέλος, ένα ένζυμο που ονομάζεται ferredoxin-NADP⁺αναγωγάση (FNR) για να καταστεί NADPH από NADP⁺. Δεν χρειάζεται να απομνημονεύσετε όλες αυτές τις ενώσεις, αλλά είναι σημαντικό να έχετε μια αίσθηση της επικείμενης φύσης των αντιδράσεων.

Επίσης, όταν το PSII απελευθερώνει υδρογόνο από το νερό για να τροφοδοτήσει τις παραπάνω αντιδράσεις, μερικές από αυτές το υδρογόνο τείνουν να θέλουν να αφήσουν το θυλακοειδές για το στρώμα, κάτω από τη βαθμίδα συγκέντρωσης του. Η μεμβράνη θυλακοειδούς εκμεταλλεύεται αυτή τη φυσική εκροή χρησιμοποιώντας το για να τροφοδοτήσει μια αντλία συνθετάσης ΑΤΡ στη μεμβράνη, η οποία συνδέει τα φωσφορικά μόρια με την ADP (διφωσφορική αδενοσίνη) για να παράγει ΑΤΡ.

Οι σκοτεινές αντιδράσεις

Οι σκοτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης ονομάζονται έτσι επειδή δεν βασίζονται στο φως. Ωστόσο, μπορούν να συμβούν όταν υπάρχει ένα φως, επομένως ένα πιο ακριβές, εάν πιο επαχθές, όνομα είναι "αντιδράσεις ανεξάρτητες από το φως"Για να ξεκαθαρίσουν τα πράγματα περαιτέρω, οι σκοτεινές αντιδράσεις είναι μαζί γνωστές και ως Κύκλου Calvin.

Φανταστείτε ότι, όταν εισπνέετε αέρα στους πνεύμονές σας, το διοξείδιο του άνθρακα στον αέρα θα μπορούσε να κάνει το δρόμο του μέσα στα κύτταρα σας, το οποίο στη συνέχεια θα το χρησιμοποιήσει για να κάνει την ίδια ουσία που προκύπτει από το σώμα σας διασπώντας το φαγητό που τρώτε. Στην πραγματικότητα, εξαιτίας αυτού, δεν θα έπρεπε ποτέ να φάτε καθόλου. Αυτό είναι ουσιαστικά η ζωή ενός φυτού, που χρησιμοποιεί το CO₂ Συγκεντρώνει από το περιβάλλον (το οποίο οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στη μεταβολική διαδικασία άλλων ευκαρυωτών) να παράγει γλυκόζη, το οποίο στη συνέχεια αποθηκεύει ή καίει για δικές του ανάγκες.

Έχετε ήδη διαπιστώσει ότι η φωτοσύνθεση ξεκινά με το χτύπημα ατόμων υδρογόνου απαλλαγμένα από νερό και τη χρήση της ενέργειας από αυτά τα άτομα για να κάνουν κάποια NADPH και κάποια ATP. Αλλά μέχρι στιγμής δεν έχει αναφερθεί η άλλη εισροή στη φωτοσύνθεση, το CO2. Τώρα θα δείτε γιατί όλα αυτά τα NADPH και ATP έχουν συγκομιστεί στην πρώτη θέση.

Πληκτρολογήστε το Rubisco

Στο πρώτο στάδιο των σκοτεινών αντιδράσεων, το CO2 συνδέεται με ένα παράγωγο ζάχαρης πέντε ανθράκων που ονομάζεται 1,5-διφωσφορική ριβουλόζη. Η αντίδραση αυτή καταλύεται από το ένζυμο ριβουλόζη-1,5-διφωσφορική καρβοξυλάση / οξυγενάση, πολύ πιο αξιοσημείωτα γνωστό ως Rubisco. Αυτό το ένζυμο πιστεύεται ότι είναι η πιο άφθονη πρωτεΐνη στον κόσμο, δεδομένου ότι υπάρχει σε όλα τα φυτά που υποβάλλονται σε φωτοσύνθεση.

Αυτό το ενδιάμεσο έξι-άνθρακα είναι ασταθές και χωρίζεται σε ένα ζεύγος μορίων τριών ατόμων άνθρακα που ονομάζεται φωσφογλυκερικό. Αυτοί στη συνέχεια φωσφορυλιώνονται με ένα ένζυμο κινάσης για να σχηματίσουν 1,3-διφωσφογλυκερικό εστέρα. Αυτό το μόριο στη συνέχεια μετατρέπεται σε γλυκεραλδεϋδο-3-φωσφορικό (G3P), απελευθερώνοντας φωσφορικά μόρια και καταναλώνει NAPDH που προέρχεται από τις αντιδράσεις φωτός.

Το G3P που δημιουργείται σε αυτές τις αντιδράσεις μπορεί στη συνέχεια να τεθεί σε έναν αριθμό διαφορετικών οδών, με αποτέλεσμα το σχηματισμό γλυκόζης, αμινοξέων ή λιπιδίων, ανάλογα με τις ειδικές ανάγκες των φυτικών κυττάρων. Τα φυτά συνθέτουν επίσης πολυμερή γλυκόζης, τα οποία στην ανθρώπινη διατροφή συμβάλλουν με άμυλο και φυτικές ίνες.