Sadržaj
- Što je fotosinteza?
- Jednadžba fotosinteze
- Fotosinteza nasuprot staničnoj respiraciji
- Struktura biljaka
- Struktura biljne stanice
- Kloroplast
- Svjetlosne reakcije
- Mračne reakcije
- Uđite u Rubisco
Fotosinteza se može pouzdano nazvati najvažnijom reakcijom u čitavoj biologiji. Ispitajte bilo koji mrežni sadržaj hrane ili sustav protoka energije u svijetu i vidjet ćete da se on u konačnici oslanja na energiju sunca za tvari koje održavaju organizme u njemu. Životinje se oslanjaju i na ugljikove hranjive sastojke (ugljikohidrate), i na kisik koji stvara fotosinteza, jer čak i životinje koje dobivaju svu svoju prehranu prejedanjem na druge životinje završavaju jedući organizme koji sami žive uglavnom ili isključivo na biljkama.
Iz fotosinteze teče svi ostali procesi razmjene energije promatrani u prirodi. Poput glikolize i reakcija staničnog disanja, fotosinteza ima niz koraka, enzima i jedinstvenih aspekata, te razumijevanje uloga koje specifični katalizatori fotosinteze igraju u količini pretvorbe svjetlosti i plina u hranu od presudnog je značaja za savladavanje osnovna biokemija.
Što je fotosinteza?
Fotosinteza je imala neke veze s proizvodnjom posljednjeg što ste jeli, ma šta to bilo. Ako je bila na biljnoj osnovi, tvrdnja je izravna. Ako je to bio hamburger, meso je gotovo sigurno poticalo od životinje koja je gotovo cijela biljaka. Ako posmatramo nešto drugačije, ako se sunce danas ugasi, a da svijet ne zahladi, što bi dovelo do smanjenja biljaka, svjetska opskrba hranom uskoro bi nestala; biljke, koje očito nisu grabežljivci, nalaze se na samom dnu bilo kojeg prehrambenog lanca.
Fotosinteza se tradicionalno dijeli na svjetlosne i tamne. Obje reakcije u fotosintezi igraju kritičnu ulogu; prvi se oslanjaju na prisutnost sunčeve svjetlosti ili druge svjetlosne energije, dok drugi ne ovise o proizvodima svjetlosne reakcije s kojima treba raditi supstrat. U svjetlosnim reakcijama stvaraju se energetske molekule koje biljka treba da sakupi ugljikohidrate, dok sama sinteza ugljikohidrata događa tamne reakcije. To je na neki način slično aerobnom disanju, gdje Krebsov ciklus, iako nije glavni izravni izvor ATP-a (adenosin-trifosfat, "energetska valuta" svih stanica), stvara veliku količinu posrednih molekula koje pokreću stvaranje puno ATP-a u kasnijim reakcijama lanca transporta elektrona.
Kritični element u biljkama koji im omogućuje provođenje fotosinteze jest klorofil, tvar koja se nalazi u jedinstvenim strukturama zvanim kloroplasta.
Jednadžba fotosinteze
Mrežna reakcija fotosinteze zapravo je vrlo jednostavna. Navodi da ugljični dioksid i voda se uz prisustvo svjetlosne energije pretvaraju u glukozu i kisik tijekom procesa.
6 CO2 + svjetlost + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
Ukupna reakcija je zbroj vrijednosti svjetlosne reakcije i the mračne reakcije fotosinteze:
Svjetlosne reakcije: 12 H2O + svjetlo → O2 + 24 H+ + 24e−
Mračne reakcije: 6CO2 + 24 H+ + 24 e− → C6H12O6 + 6 H2O
Ukratko, svjetlosne reakcije koriste sunčevu svjetlost da bi uplašile elektrone koje biljka potom kanalizira u hranu (glukozu). Kako se to događa u praksi dobro je proučeno i svjedoči o biološkoj evoluciji milijardi godina.
Fotosinteza nasuprot staničnoj respiraciji
Česta zabluda među ljudima koji proučavaju nauke o životu jest da je fotosinteza jednostavno stanično disanje obrnuto. To je razumljivo, s obzirom na to da neto reakcija fotosinteze izgleda poput staničnog disanja - počevši od glikolize i završavajući aerobnim procesima (Krebsov ciklus i transportni lanac) u mitohondrijama - teče upravo obrnuto.
Međutim, reakcije koje pretvaraju ugljični dioksid u glukozu u fotosintezi daleko su različite od onih koje se koriste da bi se glukoza smanjila natrag do ugljičnog dioksida u staničnoj disanju. Biljke, imajte na umu, također koriste stanično disanje. Kloroplasti nisu "mitohondrije biljaka"; biljke također imaju mitohondrije.
Zamislite fotosintezu kao nešto što se događa uglavnom zbog toga što biljke nemaju usta, a ipak se oslanjaju na sagorijevanje glukoze kao hranjivog sastojka za proizvodnju vlastitog goriva. Ako biljke ne mogu gutati glukozu i dalje joj je potrebna stalna opskrba, tada to moraju učiniti naoko nemogućim i napraviti ih sami. Kako biljke prave hranu? Oni koriste vanjsko svjetlo za pogon sićušnih elektrana u sebi da to i učine. To što oni mogu učiniti u velikoj mjeri ovisi o tome kako su zapravo strukturirani.
Struktura biljaka
Konstrukcije koje imaju veliku površinu u odnosu na svoju masu dobro su postavljene da uhvate velik dio sunčeve svjetlosti prolazeći kroz njihov put. Zbog toga biljke imaju lišće. Činjenica da su listovi obično najzeleniji dio biljaka rezultat je gustoće klorofila u lišću, jer se tamo obavlja rad fotosinteze.
Listovi su na svojim površinama evoluirali pore nazvane stomata (jednina: stoma). Ti otvori predstavljaju način na koji list može kontrolirati ulazak i izlazak CO2, koji je potreban za fotosintezu i O2, koji je otpadni postupak procesa. (Protuupitno je razmišljati o kisiku kao o otpadu, ali u tom je okruženju, strogo govoreći, to ono što jest.)
Ovi stomaci također pomažu liscu da regulira svoj sadržaj vode. Kad je vode obilno, listovi su krutiji i „napuhaniji“, a stomati su skloni ostati zatvoreni. Suprotno tome, kada je vode malo, stomake se otvaraju pokušavajući pomoći da se list sam hrani.
Struktura biljne stanice
Biljne stanice su eukariotske stanice što znači da imaju obje četiri strukture zajedničke svim stanicama (DNK, staničnu membranu, citoplazmu i ribosome) i niz specijaliziranih organela. Biljne stanice, međutim, za razliku od životinjskih i drugih eukariotskih stanica, imaju stanične stijenke, poput bakterija, ali izgrađene pomoću različitih kemikalija.
Biljne stanice također imaju jezgre, a njihove organele uključuju mitohondrije, endoplazmatski retikulum, Golgijeva tijela, citoskelet i vakuole. No kritična razlika između biljnih stanica i ostalih eukariotskih stanica je u tome što biljne stanice sadrže kloroplasta.
Kloroplast
Unutar biljnih stanica nalaze se organele zvane kloroplasti. Kao i mitohondrije, vjeruje se da su oni ugrađeni u eukariotske organizme relativno rano u evoluciji eukariota, s tim da je entitet namijenjen da postane kloroplast koji bi tada postojao kao prostarijski prokariot koji provodi fotosintezu.
Kloroplast je, kao i sve organele, okružen dvostrukom plazma membranom. Unutar ove membrane je stroma, koja djeluje poput citoplazme kloroplasta. Unutar kloroplasta nalaze se i tijela koja se zovu tilakoid, a koja su smještena poput hrpe novčića i zatvorena membranom.
Klorofil se smatra "pigmentom fotosinteze, ali postoji nekoliko različitih vrsta klorofila, a u fotosintezi sudjeluju i pigmenti, osim klorofila. Glavni pigment koji se koristi u fotosintezi je klorofil A. Neki ne-klorofilni pigmenti koji sudjeluju u fotosintetskim procesima su crvene, smeđe ili plave boje.
Svjetlosne reakcije
Svjetlosne reakcije fotosinteze koriste svjetlosnu energiju za istiskivanje atoma vodika iz molekula vode, pri čemu se ti vodikovi atomi, pokreću protokom elektrona, koji se na kraju oslobađaju dolazne svjetlosti, koriste za sintezu NADPH i ATP, koji su potrebni za naknadne tamne reakcije.
Svjetlosne reakcije javljaju se na tilakoidnoj membrani, unutar kloroplasta, unutar biljne stanice. Oni nastaju kada svjetlost udari u proteinsko-klorofilni kompleks zvan fotosustav II (PSII), Ovaj enzim je ono što oslobađa atome vodika iz molekula vode. Kisik u vodi je tada slobodan, a elektroni oslobođeni u tom procesu su spojeni na molekulu koja se naziva plastokinol, pretvarajući je u plastokinon. Ova molekula zauzvrat prenosi elektrone u enzimski kompleks zvan citokrom b6f. Ovaj ctyb6f uzima elektrone iz plastokinona i premješta ih u plastocijanin.
U ovom trenutku, fotosustav I (PSI) stupa na posao. Ovaj enzim uzima elektrone iz plastocijanina i veže ih na spoj koji sadrži željezo zvan ferredoksin. Napokon, enzim nazvan ferredoksin – NADP+reduktaza (FNR) da se NADPH napravi od NADP+, Ne morate memorirati sve ove spojeve, ali važno je imati osjećaj kaskadne, "predaje" prirode reakcija.
Također, kada PSII oslobađa vodik iz vode da bi pokrenuo gornje reakcije, neki od tog vodika želi ostaviti tilakoid zbog strome, ispod njegovog koncentracijskog gradijenta. Tilakoidna membrana koristi ovaj prirodni odljev koristeći ga kako bi napajala ATP pumpu sintaze u membrani, koja veže fosfatne molekule na ADP (adenozin-difosfat) kako bi napravila ATP.
Mračne reakcije
Mračne reakcije fotosinteze nazvane su tako jer se ne oslanjaju na svjetlost. Međutim, mogu se dogoditi kada je prisutno svjetlo, pa je točnije, ako je glomaznije, ime "reakcije neovisne o svjetlu"Da biste razjasnili stvari, tamne su reakcije zajedno poznate i kao" Calvin ciklus.
Zamislite da, kada udišete zrak u pluća, ugljični dioksid iz tog zraka može proći kroz vaše stanice, koji bi ga potom upotrijebio za izradu iste tvari koja proizlazi iz razbijanja hrane koju jedete. U stvari, zbog toga uopće ne biste trebali jesti. Ovo je u biti vijek trajanja biljke koja koristi CO2 ona se okuplja iz okoliša (koji je uglavnom posljedica metaboličkih procesa drugih eukariota) kako bi stvorila glukozu koju zatim skladišti ili sagorijeva za svoje potrebe.
Već ste vidjeli da fotosinteza počinje izbacivanjem atoma vodika bez vode i korištenjem energije iz tih atoma da bi se napravili neki NADPH i neki ATP. Ali do sada nije spomenuto drugo ulaganje u fotosintezu, CO2. Sada ćete vidjeti zašto su svi ti NADPH i ATP ubrani u prvom redu.
Uđite u Rubisco
U prvom koraku tamnih reakcija, CO2 se veže na pet-ugljikov derivat šećera zvan ribuloza 1,5-bisfosfat. Ovu reakciju katalizira enzim ribuloza-1,5-bisfosfat karboksilaza / oksigenaza, mnogo poznatiji kao Rubisco, Smatra se da je ovaj enzim najbrojniji protein na svijetu, s obzirom na to da je prisutan u svim biljkama koje prolaze fotosintezu.
Ovaj šest ugljikov intermedijer je nestabilan i dijeli se na par molekula tri ugljika koji se nazivaju fosfoglicerat. Zatim ih fosforilira enzim kinaza da bi se dobio 1,3-bisfosfoglicerat. Ta se molekula zatim pretvara u gliceraldehid-3-fosfat (G3P), oslobađajući molekule fosfata i trošeći NAPDH dobiven iz svjetlosnih reakcija.
G3P stvoren u tim reakcijama tada se može prebaciti na više različitih puteva, što rezultira stvaranjem glukoze, aminokiselina ili lipida, ovisno o specifičnim potrebama biljnih stanica. Biljke sintetiziraju i polimere glukoze koji u prehrani čovjeka doprinose škrobu i vlaknima.