Indhold
- Hvad er fotosyntese?
- Fotosyntese ligning
- Fotosyntese vs. cellulær respiration
- Strukturen af planter
- Struktur af plantecellen
- Chloroplasten
- Lysreaktionerne
- De mørke reaktioner
- Gå ind i Rubisco
Fotosyntese kan forsvarligt betegnes som den vigtigste reaktion i hele biologien. Undersøg ethvert fødevareweb eller energiflowsystem i verden, og du finder ud af, at det i sidste ende er afhængig af energi fra solen til de stoffer, der opretholder organismerne deri. Dyr er afhængige af både de kulstofbaserede næringsstoffer (kulhydrater) og det ilt, som fotosyntesen genererer, fordi selv dyr, der får al deres næring ved at bytte på andre dyr, ender op med at spise organismer, som selv lever mest eller udelukkende på planter.
Fra fotosyntesen strømmer således alle de andre processer til energiudveksling observeret i naturen. Ligesom glykolyse og reaktionerne ved cellulær respiration har fotosyntesen et væld af trin, enzymer og unikke aspekter at overveje og forståelse af de roller, som de specifikke katalysatorer i fotosyntesen spiller i, hvad der svarer til omdannelse af lys og gas til mad er kritisk for at mestre grundlæggende biokemi.
Hvad er fotosyntese?
Fotosyntese havde noget at gøre med produktionen af den sidste ting, du spiste, uanset hvad det var. Hvis det var plantebaseret, er kravet ligetil. Hvis det var en hamburger, kom kødet næsten helt sikkert fra et dyr, der selv næsten udelukkende levede på planter. Så på noget anderledes, hvis solen skulle lukke sig af i dag uden at få verden til at køle ned, hvilket ville føre til, at planter bliver knappe, ville verdens fødevareforsyning snart forsvinde; planter, som tydeligvis ikke er rovdyr, er i bunden af enhver fødekæde.
Fotosyntese er traditionelt opdelt i lysreaktionerne og de mørke reaktioner. Begge reaktioner i fotosyntesen spiller kritiske roller; førstnævnte er afhængige af tilstedeværelsen af sollys eller anden lysenergi, mens sidstnævnte ikke men afhænger af produkterne fra lysreaktionen for at have et underlag at arbejde med. I lysreaktionerne fremstilles energimolekylerne, som planten har brug for til at samle kulhydrat, mens kulhydratsyntesen i sig selv forekommer de mørke reaktioner. Dette ligner på nogle måder aerob respiration, hvor Krebs-cyklusserne, skønt ikke en vigtig direkte kilde til ATP (adenosintrifosfat, "energivalutaen" for alle celler), genererer en hel del mellemliggende molekyler, der driver oprettelsen af en meget ATP i de efterfølgende elektrontransportkædereaktioner.
Det kritiske element i planter, der giver dem mulighed for at udføre fotosyntese er klorofyl, et stof, der findes i unikke strukturer kaldet kloroplaster.
Fotosyntese ligning
Net-reaktionen fra fotosyntesen er faktisk meget enkel. Det hedder det kuldioxid og vand omdannes i nærvær af lysenergi til glukose og ilt under processen.
6 CO2 + lys + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
Den samlede reaktion er en sum af lysreaktioner og mørke reaktioner af fotosyntesen:
Lysreaktioner: 12 H2O + lys → O2 + 24 H+ + 24e−
Mørke reaktioner: 6CO2 + 24 H+ + 24 e− → C6H12O6 + 6 H2O
Kort sagt bruger lysreaktionerne sollys til at skræmme elektroner, som planten derefter kanaliserer til at fremstille mad (glukose). Hvordan dette sker i praksis er blevet undersøgt godt og er et vidnesbyrd om milliarder af år med biologisk udvikling.
Fotosyntese vs. cellulær respiration
En almindelig misforståelse blandt mennesker, der studerer biovidenskaben, er, at fotosyntesen simpelthen er cellulær respiration i omvendt retning. Dette er forståeligt, i betragtning af at nettoreaktionen fra fotosyntesen ligner cellulær respiration - startende med glykolyse og slutter med de aerobe processer (Krebs-cyklus og elektrontransportkæde) i mitokondrier - kører præcist omvendt.
Reaktionerne, der omdanner kuldioxid til glukose i fotosyntesen, er imidlertid langt forskellige end de, der bruges til at reducere glukose ned til kuldioxid i cellulær respiration. Husk, at planter også bruger cellulær åndedræt. Chloroplaster er ikke "plantens mitokondrier"; planter har mitokondrier også.
Tænk på fotosyntese som noget, der hovedsageligt sker, fordi planter ikke har mund, men alligevel er afhængige af at forbrænde glukose som et næringsstof for at fremstille deres eget brændstof. Hvis planter ikke kan indtage glukose, men alligevel stadig kræver en konstant forsyning af det, er de nødt til at gøre det tilsyneladende umulige og gøre det selv. Hvordan laver planter mad? De bruger eksternt lys til at drive små kraftværker inde i dem for at gøre det. At de kan gøre det, afhænger i vid udstrækning af, hvordan de faktisk er struktureret.
Strukturen af planter
Strukturer, der har meget overfladeareal i forhold til deres masse, er godt placeret til at fange en stor del af sollyset, der passerer deres vej. Derfor har planter blade. Det faktum, at blade har en tendens til at være den grønneste del af planter, er resultatet af klorofyllens tæthed i blade, da det er her, der arbejder med fotosyntesen.
Blade har udviklet porer i deres overflader kaldet stomata (ental: stomi). Disse åbninger er de midler, hvormed bladet kan kontrollere indgangen og udgangen af CO2, som er nødvendigt til fotosyntesen, og O2, som er et affaldsprodukt fra processen. (Det er intuitiv at tænke på ilt som affald, men i denne indstilling er det strengt taget, hvad det er.)
Disse stomata hjælper også bladet med at regulere dets vandindhold. Når vandet er rigeligt, er bladene mere stive og "oppustede", og stomaterne er tilbøjelige til at forblive lukkede. Omvendt, når vandet er knappe, åbner stomien i et forsøg på at hjælpe bladet med at give sig næring.
Struktur af plantecellen
Planteceller er eukaryote celler, hvilket betyder, at de har begge de fire strukturer, der er fælles for alle celler (DNA, en cellemembran, cytoplasma og ribosomer) og et antal specialiserede organeller. Planteceller har imidlertid i modsætning til dyre- og andre eukaryote celler cellevægge, ligesom bakterier gør, men konstrueret ved hjælp af forskellige kemikalier.
Planteceller har også kerner, og deres organeller inkluderer mitokondrier, det endoplasmatiske retikulum, Golgi-legemer, et cytoskelet og vakuoler. Men den kritiske forskel mellem planteceller og andre eukaryote celler er, at planteceller indeholder kloroplaster.
Chloroplasten
Inden i planteceller findes organeller, der kaldes chloroplaster. Ligesom mitokondrier antages disse at have været inkorporeret i eukaryote organismer relativt tidligt i udviklingen af eukaryoter, med den enhed, der var bestemt til at blive en kloroplast, der derefter eksisterede som en fritstående fotosyntesese-udførende prokaryot.
Chloroplasten er som alle organeller omgivet af en dobbelt plasmamembran. Inden for denne membran er stromaen, der fungerer på samme måde som cytoplasmaet for chloroplaster. Også inden for kloroplastene er der krop kaldet thylakoid, som er arrangeret som stabler af mønter og lukket af en membran af deres egne.
Chlorophyll betragtes som "pigmentet i fotosyntesen, men der er flere forskellige typer af klorofyl, og andre pigment end klorofyl deltager også i fotosyntesen. Det vigtigste pigment, der bruges i fotosyntesen, er chlorophyll A. Nogle ikke-chlorophyllpigmenter, der deltager i fotosyntetiske processer, er røde, brune eller blå i farve.
Lysreaktionerne
Lysreaktionerne ved fotosyntesen bruger lysenergi til at fortrænge hydrogenatomer fra vandmolekyler, med disse hydrogenatomer, drevet af strømmen af elektroner, der til sidst frigøres af indgående lys, der bruges til at syntetisere NADPH og ATP, som er nødvendige til de efterfølgende mørke reaktioner.
Lysreaktionerne forekommer på thylakoidmembranen, inde i chloroplasten, inde i plantecellen. De kommer i gang, når lys rammer et protein-klorofylkompleks kaldet fotosystem II (PSII). Dette enzym er det, der frigiver hydrogenatomer fra vandmolekyler. Oxygen i vandet er derefter fri, og de elektroner, der frigøres i processen, fastgøres til et molekyle kaldet plastoquinol og omdanner det til plastoquinon. Dette molekyle overfører på sin side elektronerne til et enzymkompleks kaldet cytochrome b6f. Denne ctyb6f tager elektronerne fra plastoquinon og flytter dem til plastocyanin.
På dette tidspunkt, fotosystem I (PSI) kommer på jobbet. Dette enzym tager elektronerne fra plastocyanin og binder dem til en jernholdig forbindelse kaldet ferredoxin. Endelig et enzym kaldet ferredoxin – NADP+reduktase (FNR) for at fremstille NADPH fra NADP+. Du behøver ikke at huske alle disse forbindelser, men det er vigtigt at have en fornemmelse af den sammenhængende, "aflevering" karakter af de involverede reaktioner.
Når PSII også frigiver brint fra vand til magten de ovennævnte reaktioner, har noget af det brint en tendens til at ønske at forlade thylakoidet for stroma ned i dets koncentrationsgradient. Thylakoidmembranen drager fordel af denne naturlige udstrømning ved at bruge den til at drive en ATP-syntasepumpe i membranen, som fastgør fosfatmolekyler til ADP (adenosindiphosphat) for at fremstille ATP.
De mørke reaktioner
De mørke reaktioner fra fotosyntesen er så navngivne, fordi de ikke er afhængige af lys. De kan dog forekomme, når der er lys, så et mere nøjagtigt, hvis mere besværligt, navn er "lysuafhængige reaktioner. "For at rydde op yderligere, er de mørke reaktioner sammen også kendt som Calvin cyklus.
Forestil dig, at når indånding af luft ind i dine lunger, kuldioxid i den luft kan komme vej ind i dine celler, som derefter vil bruge den til at fremstille det samme stof, der skyldes, at din krop nedbryder den mad, du spiser. Faktisk skulle du aldrig have at spise overhovedet. Dette er i det væsentlige levetiden for en plante, der bruger CO2 det samler sig fra miljøet (som stort set er der som et resultat af metabolske processer fra andre eukaryoter) for at fremstille glukose, som den derefter enten opbevarer eller brænder efter sine egne behov.
Du har allerede set, at fotosyntesen starter med at banke hydrogenatomer fri for vand og bruge energien fra disse atomer til at fremstille nogle NADPH og nogle ATP. Men indtil videre har der ikke været nævnt noget andet input til fotosyntesen, CO2. Nu kan du se, hvorfor alt det NADPH og ATP blev høstet i første omgang.
Gå ind i Rubisco
I det første trin i de mørke reaktioner er CO2 bundet til et fem-carbon-sukkerderivat kaldet ribulose 1,5-bisphosphat. Denne reaktion katalyseres af enzymet ribulose-1,5-bisphosphatcarboxylase / oxygenase, meget mere mindeværdigt kendt som Rubisco. Det antages, at dette enzym er det mest rigelige protein i verden, da det findes i alle planter, der gennemgår fotosyntesen.
Dette seks-carbon-mellemprodukt er ustabilt og opdeles i et par tre-carbon-molekyler kaldet phosphoglycerat. Disse phosphoryleres derefter af et kinaseenzym til dannelse af 1,3-bisphosphoglycerat. Dette molekyle omdannes derefter til glyceraldehyd-3-phosphat (G3P), frigiver phosphatmolekyler og forbruger NAPDH afledt af lysreaktionerne.
G3P, der dannes i disse reaktioner, kan derefter anbringes i en række forskellige veje, hvilket resulterer i dannelse af glukose, aminosyrer eller lipider, afhængigt af plantecellernes specifikke behov. Planter syntetiserer også polymerer af glukose, som i den menneskelige diæt bidrager med stivelse og fiber.