Vsebina
- Kaj je fotosinteza?
- Enačba fotosinteze
- Fotosinteza proti celičnemu vdihu
- Struktura rastlin
- Struktura rastlinske celice
- Kloroplast
- Svetlobne reakcije
- Temne reakcije
- Vstopite v Rubisco
Fotosintezo lahko zagotovo označimo za najpomembnejšo reakcijo v vsej biologiji. Preučite kateri koli prehrambeni splet ali sistem pretoka energije na svetu in ugotovili boste, da se na koncu sonce zanaša na snovi, ki vzdržujejo organizme v njem. Živali se zanašajo tako na ogljikove hranljive snovi (ogljikove hidrate) kot na kisik, ki ga ustvarja fotosinteza, saj tudi živali, ki dobijo vso svojo prehrano s plenom na drugih živalih, navitijo prehranjevalne organizme, ki živijo večinoma ali izključno na rastlinah.
Iz fotosinteze tako tečejo vsi drugi procesi izmenjave energije, opaženi v naravi. Tako kot glikoliza in reakcije celičnega dihanja ima fotosinteza veliko korakov, encimov in edinstvenih vidikov, ter razumevanje vloge, ki jo imajo posebni katalizatorji fotosinteze v tem, koliko je pretvorba svetlobe in plina v hrano ključnega pomena za obvladovanje osnovna biokemija.
Kaj je fotosinteza?
Fotosinteza je imela nekaj opravka s proizvodnjo zadnje stvari, ki ste jo jedli, karkoli že je bilo. Če je bila rastlinska, je trditev preprosta. Če je šlo za hamburger, je meso gotovo gotovo prišlo od živali, ki je sama skoraj v celoti sesala na rastlinah. Če pogledamo nekoliko drugače, če bi se sonce danes ugasnilo, ne da bi se svet ohladil, kar bi povzročilo rastline rastlin, bi svetovna oskrba s hrano kmalu izginila; rastline, ki očitno niso plenilci, so na samem dnu katere koli prehranske verige.
Fotosintezo tradicionalno delimo na svetlobne in temne. Obe reakciji v fotosintezi igrata kritično vlogo; prvi se zanašajo na prisotnost sončne svetlobe ali druge svetlobne energije, drugi pa niso odvisni od produktov svetlobne reakcije, s katerimi bodo imeli podlago za delo. Pri svetlobnih reakcijah nastajajo energijske molekule, ki jih rastlina potrebuje za sestavljanje ogljikovih hidratov, medtem ko pri sami sintezi ogljikovih hidratov pride do temnih reakcij. To je na nek način podobno aerobnemu dihanju, kjer Krebsov cikel, čeprav ni glavni neposredni vir ATP (adenozin trifosfat, "energijska valuta" vseh celic), ustvari veliko vmesnih molekul, ki vodijo k ustvarjanju veliko ATP pri poznejših reakcijah transportne verige elektronov.
Kritični element v rastlinah, ki jim omogoča, da izvajajo fotosintezo, je klorofil, snov, ki jo najdemo v edinstvenih strukturah, imenovanih kloroplasti.
Enačba fotosinteze
Neto reakcija fotosinteze je pravzaprav zelo preprosta. Navaja, da ogljikov dioksid in voda se ob prisotnosti svetlobne energije med postopkom pretvorita v glukozo in kisik.
6 CO2 + svetloba + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
Celotna reakcija je vsota svetlobne reakcije in temne reakcije fotosinteze:
Svetlobne reakcije: 12 H2O + lučka → O2 + 24 H+ + 24e−
Temne reakcije: 6CO2 + 24 H+ + 24 e− → C6H12O6 + 6 H2O
Skratka, svetlobne reakcije uporabljajo sončno svetlobo, da prestrašijo elektrone, ki jih rastlina nato usmeri v pripravo hrane (glukoze). Kako se to dogaja v praksi, je bilo dobro raziskano in priča o milijardnih letih biološke evolucije.
Fotosinteza proti celičnemu vdihu
Pogosta napačna predstava med ljudmi, ki preučujejo življenjske vede, je, da je fotosinteza preprosto celično dihanje v obratni smeri. To je razumljivo, saj neto reakcija fotosinteze izgleda tako kot celično dihanje - začenši z glikolizo in zaključi z aerobnimi procesi (Krebsov cikel in elektronska transportna veriga) v mitohondrijih - teče natančno v obratni smeri.
Vendar pa so reakcije, ki pri fotosintezi pretvorijo ogljikov dioksid v glukozo, precej drugačne od tistih, ki se uporabljajo za zmanjšanje glukoze nazaj do ogljikovega dioksida pri celičnem dihanju. Rastline, ne pozabite, uporabljajo tudi celično dihanje. Kloroplasti niso "mitohondriji rastlin"; rastline imajo tudi mitohondrije.
Fotosintezo predstavljajte kot nekaj, kar se dogaja predvsem zato, ker rastline nimajo ust, vendar se še vedno zanašajo na izgorevanje glukoze kot hranila, s katerim lahko sami pridobijo gorivo. Če rastline ne morejo zaužiti glukoze, pa še vedno potrebujejo stalno oskrbo z njo, potem morajo to navidezno nemogoče narediti same. Kako rastline izdelujejo hrano? Z zunanjo svetlobo poganjajo drobne elektrarne v sebi, da to storijo. Da bodo to lahko storili, je v veliki meri odvisno od tega, kako so dejansko strukturirani.
Struktura rastlin
Konstrukcije, ki imajo glede na svojo maso veliko površino, so dobro postavljene, da zajamejo veliko sončne svetlobe, ki prehaja svojo pot. Zato imajo rastline listje. Dejstvo, da so listi ponavadi najbolj zeleni del rastlin, je posledica gostote klorofila v listih, saj tu poteka delo s fotosintezo.
Listi imajo razvite pore na svojih površinah, imenovane stomata (ednina: stoma). Te odprtine so sredstva, s katerimi lahko list nadzoruje vstop in izstop CO2, ki je potreben za fotosintezo, in O2, ki je odpadek procesa. (Protiintuitivno je, da o kisiku razmišljamo kot o odpadkih, toda v tem oziru, strogo rečeno, to je to.)
Te stomake pomagajo tudi uravnavanju njegove vsebnosti v vodi. Kadar je voda obilna, so listi bolj togi in "napihnjeni", čiki pa so nagnjeni, da ostanejo zaprti. Kadar vode primanjkuje, se želodci odpirajo v prizadevanju, da bi se list sam hranil.
Struktura rastlinske celice
Rastlinske celice so evkariontske celice, kar pomeni, da imajo tako štiri strukture, ki so skupne vsem celicam (DNK, celično membrano, citoplazmo in ribosome) ter številne specializirane organele. Rastlinske celice imajo, za razliko od živalskih in drugih evkariontskih celic, celične stene, kot bakterije, vendar zgrajene z različnimi kemikalijami.
Rastlinske celice imajo tudi jedra, njihove organele pa vključujejo mitohondrije, endoplazemski retikulum, Golgijeva telesa, citoskelet in vakuole. Ključna razlika med rastlinskimi celicami in drugimi evkariontskimi celicami je, da rastlinske celice vsebujejo kloroplasti.
Kloroplast
Znotraj rastlinskih celic so organele, ki jih imenujemo kloroplasti. Kot mitohondrije se verjame, da so bili vključeni v evkariontske organizme razmeroma zgodaj v razvoju evkariotov, pri čemer je entiteta namenjena kloroplastu, ki bo obstajala kot prostostoječi prokariot, ki izvaja fotosintezo.
Kloroplast je, tako kot vse organele, obdan z dvojno plazemsko membrano. Znotraj te membrane je stroma, ki deluje nekako kot citoplazma kloroplastov. Znotraj kloroplastov so tudi telesa, imenovana tilakoid, ki so razporejena kot sveženj kovancev in obdana z lastno membrano.
Klorofil velja za "pigment fotosinteze, vendar obstaja več različnih vrst klorofila, v fotosintezi pa sodelujejo tudi pigmenti, ki niso klorofil. Glavni pigment, ki se uporablja pri fotosintezi, je klorofil A. Nekateri neklorofilni pigmenti, ki sodelujejo v fotosintetskih procesih, so rdeče, rjave ali modre barve.
Svetlobne reakcije
Svetlobne reakcije fotosinteze uporabljajo svetlobno energijo, da izpodrinejo vodikove atome iz vodnih molekul, pri čemer se ti vodikovi atomi, ki jih poganja tok elektronov, ki se končno sprostijo pri dohodni svetlobi, uporabljajo za sintezo NADPH in ATP, ki sta potrebna za poznejše temne reakcije.
Svetlobne reakcije se pojavijo na tilakoidni membrani, znotraj kloroplasta, znotraj rastlinske celice. Začnejo se, ko svetloba udari v beljakovinsko-klorofilni kompleks, imenovan fotosistem II (PSII). Ta encim osvobaja vodikove atome iz vodnih molekul. Kisik v vodi je nato prost, elektroni, ki se sprostijo v procesu, pa se pritrdijo na molekulo, imenovano plastokinol, ki jo pretvori v plastokinon. Ta molekula pa elektrone prenaša v encimski kompleks, imenovan citokrom b6f. Ta ctyb6f odvzame elektrone iz plastohinona in jih premakne v plastocianin.
Na tej točki, fotosistem I (PSI) se zaposli. Ta encim odvzema elektrone iz plastocianina in jih veže na spojino, ki vsebuje železo, imenovano ferredoksin. Končno encim, imenovan ferredoksin – NADP+reduktazo (FNR), da nastane NADPH iz NADP+. Vseh teh spojin vam ni treba zapomniti, vendar je pomembno, da imate občutke kaskadne, "predajo" narave vpletenih reakcij.
Ko PSII sprošča vodik iz vode, da spodbudi zgornje reakcije, del tega vodika želi pustiti tilakoid zaradi strome navzdol po njegovem koncentracijskem gradientu. Tilakoidna membrana izkoristi ta naravni odtok tako, da v membrani napaja črpalko ATP-sintaze, ki molekule fosfata pritrdi na ADP (adenozin-difosfat), da ustvari ATP.
Temne reakcije
Temne reakcije fotosinteze so tako imenovane, ker se ne zanašajo na svetlobo. Lahko pa se pojavijo, ko je prisotna svetloba, zato je bolj natančno, če je bolj okorno ime, "reakcije, neodvisne od svetlobe"Da bi se zadeve razčistile, so temne reakcije znane tudi kot Calvin cikel.
Predstavljajte si, da bi ogljikov dioksid v vdihavanju zraka v pljuča lahko prodrl v vaše celice, ki bi ga nato uporabil za izdelavo iste snovi, ki je posledica razkrajanja hrane, ki jo jeste. Pravzaprav vam zaradi tega sploh ne bi bilo treba jesti. To je v bistvu življenjska doba rastline, ki uporablja CO2 zbira se iz okolja (ki je v veliki meri posledica presnovnih procesov drugih evkariotov), da naredi glukozo, ki jo nato shrani ali izgoreva za lastne potrebe.
Videli ste že, da se fotosinteza začne z odstranjevanjem vodikovih atomov brez vode in z energijo iz teh atomov, da se ustvari nekaj NADPH in nekaj ATP. Toda do zdaj ni bilo omenjenega drugega vnosa v fotosintezo, CO2. Zdaj boste videli, zakaj so bili vsi ti NADPH in ATP spravljeni na prvem mestu.
Vstopite v Rubisco
V prvem koraku temnih reakcij se CO2 veže na pet-ogljikov derivat sladkorja, imenovan 1,5-bisfosfat ribuloze. Ta reakcija je katalizirana z encimom ribuloza-1,5-bisfosfat karboksilaza / oksigenaza, še bolj znan kot Rubisco. Za ta encim velja, da je najpogostejši protein na svetu, glede na to, da je prisoten v vseh rastlinah, ki so podvržene fotosintezi.
Ta šest-ogljikov intermediat je nestabilen in se razdeli na par treh ogljikovih molekul, imenovanih fosfoglicerat. Nato jih fosforilira encim kinaza, da nastane 1,3-bisfosfoglicerat. Ta molekula se nato pretvori v gliceraldehid-3-fosfat (G3P), pri čemer se sprostijo fosfatne molekule in porabi NAPDH, pridobljen iz svetlobnih reakcij.
G3P, ustvarjen v teh reakcijah, se lahko nato poda na več različnih poti, kar ima za posledico tvorbo glukoze, aminokislin ali lipidov, odvisno od posebnih potreb rastlinskih celic. Rastline sintetizirajo tudi polimere glukoze, ki v prehrani ljudi prispevajo škrob in vlaknine.