Komponenter i fotosyntesen

Indhold

• Komponenter i fotosyntesen
• Resumé af fotosyntesen
• Hvordan blade understøtter fotosyntesen
• Chloroplaster: Fabrikker af fotosyntesen
• Hvad er Thylakoids til?
• Lysreaktionerne: Lys når Thylakoid-membranen
• Lysreaktionerne: Elektrontransport
• Lysreaktionerne: Fotofosforylering
• The Dark Reaction: Carbon Fixation

Planter er uden tvivl menneskehedens foretrukne levende ting uden for dyreriget. Bortset fra planternes evne til at fodre verdens mennesker - uden frugter, grøntsager, nødder og korn, er det usandsynligt, at du eller denne artikel ville eksistere - er ærbødige planter for deres skønhed og deres rolle i al slags menneskelig ceremoni. At de formår at gøre dette uden evnen til at bevæge sig eller spise, er faktisk bemærkelsesværdigt.

Planter gør faktisk brug af det samme basismolekyle, som alle livsformer gør for at vokse, overleve og reproducere: det lille, seks-carbon, ringformede kulhydrat glucose. Men i stedet for at spise kilder til dette sukker, fremstiller de det i stedet. Hvordan er dette muligt, og i betragtning af at det er, hvorfor ikke mennesker og andre dyr simpelthen gør det samme og sparer sig selv for besværet med at jage, samle, opbevare og indtage mad?

Svaret er fotosyntese, serien med kemiske reaktioner, hvor planteceller bruger energi fra sollys til at fremstille glukose. Planterne bruger derefter noget af glukosen til deres egne behov, mens resten forbliver tilgængelig for andre organismer.

Komponenter i fotosyntesen

Studerende studerende kan måske være hurtige til at spørge, "Under fotosyntesen i planter, hvad er kilden til kulstof i det sukkermolekyle, som planten producerer?" Du behøver ikke en videnskabelig grad for at antage, at "energi fra solen" består af lys, og at lyset ikke indeholder nogen af ​​de elementer, der udgør de molekyler, der oftest findes i levende systemer. (Lys består af fotoner, som er masseløse partikler, der ikke findes på elementernes periodiske tabel.)

Den nemmeste måde at introducere de forskellige dele af fotosyntesen er at begynde med den kemiske formel, der opsummerer hele processen.

6 H₂O + 6 CO₂ → C₆H₁₂O₆+ 6 O₂

Således er råvarerne fra fotosyntesen vand (H₂O) og kuldioxid (CO₂), som begge er rigelige på jorden og i atmosfæren, mens produkterne er glukose (C₆H₁₂O₆) og iltgas (O₂).

Resumé af fotosyntesen

En skematisk oversigt over fotosynteseprocessen, hvis komponenter er beskrevet detaljeret i efterfølgende sektioner, er som følger. (I øjeblikket skal du ikke bekymre dig om forkortelser, som du muligvis ikke er bekendt med.)

De første fire af disse trin er kendt som lysreaktioner eller lysafhængige reaktioner, da de absolut er afhængige af sollys for at fungere. I modsætning hertil kaldes Calvin-cyklussen " mørk reaktion, også kendt som lysuafhængige reaktioner. Mens, som navnet antyder, den mørke reaktion kan fungere uden en lyskilde, er den afhængig af produkter, der er oprettet i de lysafhængige reaktioner, for at fortsætte.

Hvordan blade understøtter fotosyntesen

Hvis du nogensinde har kigget på et diagram af et tværsnit af menneskelig hud (det vil sige, hvordan det ville se ud fra siden, hvis du kunne se på det hele vejen fra overfladen til det væv, huden møder under), har måske bemærket, at huden indeholder forskellige lag. Disse lag indeholder forskellige komponenter i forskellige koncentrationer, såsom svedkirtler og hårsækker.

Bladets anatomi er arrangeret på en lignende måde, bortset fra at blade vender ud mod omverdenen to sider. Bevæger sig fra toppen af ​​bladet (anses for at være den, der oftest vender mod lyset) til undersiden, inkluderer lagene neglebånd, en voksagtig, tynd beskyttelsesfrakke; det øvre epidermis; det mesofyl; det lavere epidermis; og et andet neglebåndslag.

Mesophyllen indeholder i øvrigt en øvre palisade lag med celler arrangeret i pæne søjler og et lavere svampet lag, som har færre celler og større afstand mellem dem. Fotosyntese finder sted i mesofylen, hvilket giver mening, fordi det er det mest overfladiske lag af et blad af ethvert stof og er tættest på alt lys, der rammer bladeoverfladen.

Chloroplaster: Fabrikker af fotosyntesen

Organismer, der skal få deres næring fra organiske molekyler i deres miljø (dvs. fra stoffer, som mennesker kalder "mad") er kendt som heterotrofe. Planter er derimod autotrofe ved at de bygger disse molekyler inde i deres celler og derefter bruger det, de har behov for, inden resten af ​​det tilknyttede kulstof returneres til økosystemet, når planten dør eller spises.

Fotosyntese forekommer i organeller ("små organer") i kaldte planteceller kloroplaster. Organeller, der kun findes i eukaryote celler, er omgivet af en dobbelt plasmamembran, der strukturelt ligner den, der omgiver cellen som helhed (normalt bare kaldet cellemembranen).

De funktionelle enheder af fotosyntesen er thylakoider. Disse strukturer findes i både fotosyntetiske prokaryoter, såsom cyanobakterier (blågrønne alger) og planter. Men fordi kun eukaryoter har membranbundne organeller, sidder thylakoiderne i prokaryoter fri i cellecytoplasmaen, ligesom DNA'et i disse organismer gør på grund af manglen på en kerne i prokaryoter.

Hvad er Thylakoids til?

Hos planter er thylakoidmembranen faktisk kontinuerlig med selve membranen af ​​chloroplasten. Thylakoider er derfor som organeller inden i organeller. De er arrangeret i runde stakke, som middagsplader i et skab - hule middagsplader, det vil sige. Disse stakke kaldes grana, og interiøret i thylakoiderne er forbundet i et mazellignende netværk af rør. Rummet mellem thylakoider og den indre chloroplastmembran kaldes stroma.

Thylakoider indeholder et kaldet pigment klorofyl, som er ansvarlig for den grønne farve, som de fleste planter udviser i en eller anden form. Men vigtigere end at tilbyde det menneskelige øje et skinnende udseende, klorofyll er det, der "fanger" sollys (eller til den sags skyld kunstigt lys) i chloroplasten og derfor det stof, der tillader fotosyntesen at fortsætte i første omgang.

Der er faktisk flere forskellige pigmenter, der bidrager til fotosyntesen, hvor chlorophyll A er den primære. Ud over klorofyllvarianter reagerer adskillige andre pigmenter i thylakoider mod lys, inklusive røde, brune og blå typer. Disse kan videresende indkommende lys til klorofyll A, eller de kan hjælpe med at forhindre, at cellen bliver beskadiget af lys ved at tjene som lokkefugle af en slags.

Lysreaktionerne: Lys når Thylakoid-membranen

Når sollys eller lysenergi fra en anden kilde når thylakoidmembranen efter at have passeret gennem bladets kutikula, plantecellevæggen, lagene i cellemembranen, de to lag af chloroplastmembranen og til sidst stromaen, møder den et par tæt beslægtede multi-proteinkomplekser kaldet photosystems.

Komplekset kaldet Fotosystem I adskiller sig fra dets kamerat Photosystem II, idet det reagerer forskelligt på forskellige bølgelængder af lys; derudover indeholder de to fotosystemer lidt forskellige versioner af klorofyl A. Fotosystem I indeholder en form kaldet P700, mens Photosystem II bruger en form kaldet P680. Disse komplekser indeholder et let høstkompleks og et reaktionscenter. Når lys når disse, løsnes det elektroner fra molekyler i klorofylen, og disse fortsætter til det næste trin i lysreaktionerne.

Husk, at nettoligningen for fotosyntesen inkluderer begge CO₂ og H₂O som input. Disse molekyler passerer frit ind i plantens celler på grund af deres lille størrelse og er tilgængelige som reaktanter.

Lysreaktionerne: Elektrontransport

Når elektroner sparkes fri for klorofyllmolekyler ved indkommende lys, skal de på en eller anden måde udskiftes. Dette gøres hovedsageligt ved opdeling af H₂O til iltgas (O₂) og gratis elektroner. O₂ i denne indstilling er et affaldsprodukt (det er måske vanskeligt for de fleste mennesker at forestille sig nyoprettet ilt som et affaldsprodukt, men det er sådanne vagariaer i biokemi), hvorimod nogle af elektronerne går ind i klorofyl i form af brint ( H).

Elektroner kører sig "ned" gennem kæden af ​​molekyler, der er indlejret i thylakoidmembranen mod den endelige elektronacceptor, et molekyle kendt som nicotinamid-adenindinucleotidphosphat (NADP⁺ ). Forstå, at "ned" ikke betyder lodret nedad, men nedad i betydningen gradvis lavere energi. Når elektronerne når NADP⁺, disse molekyler kombineres for at skabe den reducerede form af elektronbæreren, NADPH. Dette molekyle er nødvendigt for den efterfølgende mørke reaktion.

Lysreaktionerne: Fotofosforylering

Samtidig som NADPH genereres i det tidligere beskrevne system, kaldes en proces photophosphorylation bruger energi frigivet fra andre elektroner, der "tumler" i thylakoidmembranen. Proton-drivkraften forbinder uorganiske phosphatmolekylereller P_jegtil adenosindiphosphat (ADP) til dannelse af adenosintrifosfat (ATP).

Denne proces er analog med processen i cellulær respiration kendt som oxidativ phosphorylering. Samtidig genereres ATP i thylakoiderne med det formål at fremstille glukose i den mørke reaktion, mitokondrier andetsteds i planteceller bruger produkterne til nedbrydning af nogle af denne glukose til at gøre ATP i cellulær respiration for planterne ultimative metaboliske har brug for.

The Dark Reaction: Carbon Fixation

Når CO₂ kommer ind i planteceller, den gennemgår en række reaktioner, hvorefter den først sættes til et fem-carbon molekyle for at skabe et seks-carbon-mellemprodukt, der hurtigt opdeles i to tre-carbon molekyler. Hvorfor er ikke dette seks-carbon molekyle simpelthen lavet direkte til glukose, også et seks-carbon molekyle? Mens nogle af disse tre-carbon molekyler forlader processen og faktisk bruges til at syntetisere glukose, er andre tre-carbon molekyler nødvendige for at holde cyklussen i gang, da de er forbundet med indgående CO₂ for at fremstille den ovenfor nævnte fem-carbonforbindelse.

Det faktum, at energi fra lys udnyttes i fotosyntesen for at drive processer uafhængigt af lys giver mening i betragtning af det faktum, at solen står op og går ned, hvilket sætter planter i stand til at "hamstre" molekyler i løbet af dagen, så de kan gå i gang med at fremstille deres mad, mens solen er under horisonten.

Med henblik på nomenklatur henviser Calvin-cyklussen, den mørke reaktion og kulstoffiksering alle til den samme ting, der fremstiller glukose. Det er vigtigt at indse, at uden en konstant tilførsel af lys, kunne fotosyntesen ikke forekomme. Planter kan trives i miljøer, hvor lyset altid er til stede, som i et rum, hvor lysene aldrig dæmpes. Men det omvendte er ikke sandt: Uden lys er fotosyntese umulig.