Activitate enzimatică în fotosinteză

Conţinut

• Ce este fotosinteza?
• Ecuația fotosintezei
• Fotosinteza vs. respirația celulară
• Structura plantelor
• Structura celulei vegetale
• Cloroplastul
• Reacțiile de lumină
• Reacțiile întunecate
• Introdu Rubisco

Fotosinteza poate fi etichetată în mod defensiv cea mai importantă reacție din toată biologia. Examinați orice rețea de alimente sau sistem de curgere a energiei din lume și veți constata că, în cele din urmă, se bazează pe energia solară pentru substanțele care susțin organismele de acolo. Animalele se bazează atât pe substanțele nutritive pe bază de carbon (carbohidrați), cât și pe oxigenul pe care îl generează fotosinteza, deoarece chiar și animalele care își obțin toată hrănirea prin predarea altor animale se termină consumând organisme care în sine trăiesc mai ales sau exclusiv pe plante.

Din fotosinteză curge astfel toate celelalte procese de schimb de energie observate în natură. La fel ca glicoliza și reacțiile respirației celulare, fotosinteza are o serie de pași, enzime și aspecte unice de luat în considerare, și înțelegerea rolurilor pe care catalizatorii specifici ai fotosintezei joacă în ceea ce înseamnă conversia luminii și a gazului în alimente este esențială pentru stăpânire. biochimie de bază.

Ce este fotosinteza?

Fotosinteza a avut ceva de-a face cu producția ultimului lucru pe care l-ați mâncat, oricare ar fi fost acesta. Dacă a fost bazat pe plante, afirmația este simplă. Dacă era un hamburger, carnea provenea aproape sigur de la un animal care însuși a subzistat aproape în întregime pe plante. Privit într-un mod diferit, dacă soarele ar fi închis în ziua de azi fără a face lumea să se răcească, ceea ce ar duce la reducerea plantelor, alimentația mondială va dispărea în curând; plantele, care în mod clar nu sunt prădători, se află în fundul oricărui lanț alimentar.

Fotosinteza este împărțită în mod tradițional în reacțiile de lumină și reacțiile întunecate. Ambele reacții în fotosinteză joacă roluri critice; primele se bazează pe prezența luminii solare sau a altei energii luminoase, în timp ce a doua nu depinde, însă, de produsele reacției de lumină cu care să aibă substrat cu care să funcționeze. În reacțiile de lumină, moleculele de energie de care planta trebuie să adune carbohidrații sunt realizate, în timp ce sinteza de carbohidrați are loc reacțiile întunecate. Acest lucru este similar în unele moduri cu respirația aerobă, în care ciclul Krebs, deși nu este o sursă directă principală de ATP (adenozina trifosfat, „moneda energetică” a tuturor celulelor), generează o mare parte de molecule intermediare care conduc la crearea unui mare cantitate de ATP în reacțiile ulterioare ale lanțului de transport de electroni.

Elementul critic din plante care le permite să efectueze fotosinteza este clorofilă, o substanță care se găsește în structuri unice numite cloroplaste.

Ecuația fotosintezei

Reacția netă a fotosintezei este de fapt foarte simplă. Aceasta afirmă că dioxidul de carbon și apa, în prezența energiei luminoase, sunt transformate în glucoză și oxigen în timpul procesului.

6 CO₂ + lumină + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Reacția generală este o sumă a reacții ușoare si reacții întunecate de fotosinteză:

Reacții de lumină: 12 H₂O + lumină → O₂ + 24 H⁺ + 24e⁻

Reacții întunecate: 6CO₂ + 24 H⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

Pe scurt, reacțiile de lumină folosesc lumina soarelui pentru a speria electronii pe care planta îi canalizează apoi pentru a produce alimente (glucoză). Cum sa întâmplat acest lucru în practică a fost bine studiat și este un testament al miliarde de ani de evoluție biologică.

Fotosinteza vs. respirația celulară

O concepție greșită comună în rândul oamenilor care studiază științele vieții este că fotosinteza este pur și simplu respirația celulară în sens invers. Acest lucru este de înțeles, având în vedere că reacția netă a fotosintezei arată la fel ca respirația celulară - începând cu glicoliză și terminând cu procesele aerobe (ciclul Krebs și lanțul de transport al electronilor) în mitocondrii - se desfășoară exact în sens invers.

Reacțiile care transformă dioxidul de carbon în glucoză în fotosinteză sunt cu toate acestea mult diferite decât cele care sunt utilizate pentru a reduce glucoza înapoi la dioxid de carbon în respirația celulară. Plantele, ține cont, folosesc, de asemenea, respirația celulară. Cloroplastele nu sunt „mitocondriile plantelor”; plantele au și mitocondrii.

Gândiți-vă la fotosinteză ca ceva care se întâmplă mai ales pentru că plantele nu au gură, dar încă se bazează pe arderea glucozei ca nutrienți pentru a-și produce propriul combustibil. Dacă plantele nu pot ingera glucoză totuși necesită o aprovizionare constantă cu ea, atunci acestea trebuie să facă aparent imposibil și să le facă singure. Cum fac plantele hrana? Ei folosesc lumina externă pentru a conduce mici centrale electrice în interiorul lor pentru a o face. Că pot face acest lucru depinde în mare măsură de modul în care sunt structurate efectiv.

Structura plantelor

Structurile care au multă suprafață în raport cu masa lor sunt bine poziționate pentru a capta o mare parte din lumina soarelui care le trece. Acesta este motivul pentru care plantele au frunze. Faptul că frunzele tind să fie partea cea mai verde a plantelor este rezultatul densității clorofilei din frunze, deoarece aici se face lucrarea fotosintezei.

Frunzele au evoluat porii pe suprafețele lor numite stomate (singular: stoma). Aceste deschideri sunt mijloacele prin care frunza poate controla intrarea și ieșirea CO₂, care este necesar pentru fotosinteză, și O₂, care este un produs deșeu al procesului. (Este contrazicător să gândim oxigenul ca deșeuri, dar în acest context, strict vorbind, asta este ceea ce este.)

Aceste stomate ajută, de asemenea, frunza să-și regleze conținutul de apă. Când apa este abundentă, frunzele sunt mai rigide și „umflate”, iar stomatele sunt înclinate să rămână închise. În schimb, când apa este rară, stomatele se deschid în efortul de a ajuta frunza să se hrănească.

Structura celulei vegetale

Celulele vegetale sunt celule eucariote, ceea ce înseamnă că au ambele patru structuri comune tuturor celulelor (ADN, o membrană celulară, citoplasmă și ribozomi) și o serie de organele specializate. Cu toate acestea, celulele vegetale, spre deosebire de celulele animale și celelalte eucariote, au pereți celulari, la fel ca bacteriile, dar construite folosind substanțe chimice diferite.

Celulele vegetale au și nuclee, iar organulele lor includ mitocondriile, reticulul endoplasmatic, corpurile Golgi, un citoschelet și vacuole. Însă diferența critică dintre celulele plantelor și alte celule eucariote este că celulele vegetale conțin cloroplaste.

Cloroplastul

În celulele plantelor se află organele numite cloroplaste. La fel ca mitocondriile, se crede că acestea au fost încorporate în organisme eucariote relativ relativ timpurii în evoluția eucariotelor, entitatea destinată să devină cloroplast, existând apoi ca procariot independent de fotosinteză.

Cloroplastul, ca toate organelele, este înconjurat de o membrană dublă plasmatică. În această membrană se află stroma, care funcționează asemenea citoplasmei cloroplastelor. De asemenea, în interiorul cloroplastelor se află corpuri numite tilacoide, care sunt aranjate ca stive de monede și închise de o membrană proprie.

Clorofila este considerată "pigmentul" fotosintezei, dar există mai multe tipuri diferite de clorofilă, iar pigmentul, în afară de clorofilă, participă la fotosinteză. Principalul pigment utilizat în fotosinteză este clorofila A. Unii pigmenți non-clorofilici care iau parte la procesele fotosintetice sunt de culoare roșie, maro sau albastră.

Reacțiile de lumină

Reacțiile de lumină ale fotosintezei folosesc energia luminii pentru a deplasa atomii de hidrogen din moleculele de apă, cu acești atomi de hidrogen, alimentați de fluxul de electroni eliberați în cele din urmă de lumină de intrare, fiind folosiți pentru sintetizarea NADPH și ATP, care sunt necesare pentru reacțiile ulterioare întunecate.

Reacțiile ușoare apar pe membrana tilacoidă, în interiorul cloroplastului, în interiorul celulei vegetale. Ei încep în momentul în care lumina lovește un complex proteic-clorofilă numit Photosystem II (PSII). Această enzimă este ceea ce eliberează atomii de hidrogen din moleculele de apă. Oxigenul din apă este apoi liber, iar electronii eliberați în proces sunt atașați la o moleculă numită plastoquinol, transformându-l în plastoquinonă. La rândul său, această moleculă transferă electronii într-un complex enzimatic numit citocrom b6f. Acest ctyb6f ia electronii de la plastoquinona și îi mută în plastocianină.

In acest punct, Photosystem I (PSI) se apucă de treabă. Această enzimă ia electronii din plastocianină și îi leagă la un compus care conține fier, numit ferredoxină. În cele din urmă, o enzimă numită ferredoxină-NADP⁺reductază (FNR) pentru a face NADPH din NADP⁺. Nu trebuie să memorați toți acești compuși, dar este important să aveți un sentiment al cascadei, „înmânării” naturii reacțiilor implicate.

De asemenea, atunci când PSII eliberează hidrogenul din apă pentru a alimenta reacțiile de mai sus, o parte din acel hidrogen tinde să părăsească tilacoidul pentru stroma, în josul gradientului său de concentrație. Membrana tilacoidă profită de această ieșire naturală folosind-o pentru a alimenta o pompă de ATP sintază în membrană, care atașează moleculele de fosfat la ADP (adenozina difosfat) pentru a produce ATP.

Reacțiile întunecate

Reacțiile întunecate ale fotosintezei sunt numite astfel deoarece nu se bazează pe lumină. Cu toate acestea, ele pot apărea atunci când este prezentă lumina, deci un nume mai precis, dacă este mai greoi, este "reacții independente de lumină"Pentru a clarifica problemele mai departe, reacțiile întunecate sunt cunoscute și sub numele de Ciclul calvin.

Imaginați-vă că, atunci când inhalați aer în plămâni, dioxidul de carbon din acel aer ar putea intra în celulele voastre, care apoi l-ar folosi pentru a face aceeași substanță care rezultă din corpul dvs. care descompune alimentele pe care le mâncați. De fapt, din această cauză, nu ar trebui să mănânci niciodată deloc. Aceasta este în esență viața unei plante, care folosește CO₂ se adună din mediu (care este în mare parte ca urmare a proceselor metabolice ale altor eucariote) pentru a produce glucoză, pe care apoi o depozitează sau arde pentru nevoile sale.

Ați văzut deja că fotosinteza începe prin lovirea atomilor de hidrogen eliberați de apă și folosirea energiei din acei atomi pentru a face unele NADPH și unele ATP. Însă până acum nu s-a menționat cealaltă contribuție în fotosinteză, CO2. Acum veți vedea de ce toate NADPH și ATP au fost recoltate în primul rând.

Introdu Rubisco

În prima etapă a reacțiilor întunecate, CO2 este atașat la un derivat de zahăr cu cinci carbon numit ribuloză 1,5-bisfosfat. Această reacție este catalizată de enzima ribuloză-1,5-bisfosfat carboxilază / oxigenază, mult mai cunoscută sub numele de Rubisco. Se consideră că această enzimă este cea mai abundentă proteină din lume, având în vedere că este prezentă în toate plantele care suferă fotosinteză.

Acest intermediar cu șase atomi de carbon este instabil și se împarte într-o pereche de molecule cu trei carbon numite fosfoglicrat. Acestea sunt fosforilate de o enzimă kinază pentru a forma 1,3-bisfosfoglicrat. Această moleculă este apoi transformată în gliceraldehidă-3-fosfat (G3P), eliberând molecule de fosfat și consumând NAPDH derivate din reacțiile ușoare.

G3P creat în aceste reacții poate fi apoi pus într-o serie de căi diferite, ceea ce duce la formarea de glucoză, aminoacizi sau lipide, în funcție de nevoile specifice ale celulelor plantei. Plantele sintetizează, de asemenea, polimeri de glucoză care în dieta umană contribuie cu amidon și fibre.