Sisältö
- Mikä on fotosynteesi?
- Fotosynteesin yhtälö
- Fotosynteesi vs. soluhengitys
- Kasvien rakenne
- Kasvisolun rakenne
- Klooriplasti
- Valojen reaktiot
- Pimeät reaktiot
- Kirjoita Rubisco
Fotosynteesi voidaan perustellusti merkitä tärkeimmäksi reaktioksi kaikessa biologiassa. Tutki mitä tahansa ruokaverkkoa tai energian virtausjärjestelmää maailmassa, ja huomaat, että se lopulta riippuu auringon energiasta aineille, jotka ylläpitävät siinä olevia organismeja. Eläimet luottavat sekä hiilipohjaisiin ravintoaineisiin (hiilihydraatteihin) että happea, jota fotosynteesi tuottaa, koska jopa eläimet, jotka saavat kaiken ravintoaan saalistamalla muita eläimiä, lopettavat syövät organismit, jotka elävät enimmäkseen tai yksinomaan kasveissa.
Fotosynteesistä virtaa siten kaikki muut luonnossa havaitut energianvaihtoprosessit. Kuten glykolyysi ja solujen hengitysreaktiot, myös fotosynteesissä on useita vaiheita, entsyymejä ja ainutlaatuisia näkökohtia, jotka on harkittava, ja ymmärtäminen, mitkä spesifisten fotosynteesin katalysaattorien roolit valon ja kaasun muuntamisessa ruokaan ovat kriittisiä hallitsemisen kannalta biokemian perusteet.
Mikä on fotosynteesi?
Fotosynteesillä oli jotain tekemistä viimeisen syömäsi tuotteen tuottamisen kanssa, olipa se mikä tahansa. Jos se oli kasvipohjaista, väite on suoraviivainen. Jos se oli hampurilaista, liha tuli melkein varmasti eläimeltä, joka itsessään oli melkein kokonaan kasveilla. Nähtiin jonkin verran erilaiselta, jos aurinko sulkeutuisi itsensä tänään aiheuttamatta maailman jäähtymistä, mikä johtaisi kasvien vähentämiseen, maailmojen ruokahuolto katoaisi pian; kasvit, jotka eivät selvästikään ole petoeläimiä, ovat kaiken ravintoketjun alaosassa.
Fotosynteesi on perinteisesti jaettu valoreaktioihin ja tummiin reaktioihin. Molemmilla fotosynteesin reaktioilla on kriittinen rooli; ensimmäiset luottavat auringonvalon tai muun valoenergian läsnäoloon, kun taas jälkimmäiset eivät ole riippuvaisia valoreaktion tuotteista, joilla on substraatti työskennellä. Kevytreaktioissa tehdään energiamolekyylejä, jotka kasvin tarvitsee kootakseen hiilihydraatteja, kun taas hiilihydraattien synteesi itse johtaa pimeisiin reaktioihin. Tämä on tietyillä tavoin samanlainen kuin aerobinen hengitys, jossa Krebs-sykli, vaikkakaan ei merkittävä ATP: n suora lähde (adenosiinitrifosfaatti, kaikkien solujen "energiavaluutta"), tuottaa suuren määrän välimolekyylejä, jotka ohjaavat paljon ATP: tä seuraavissa elektronien kuljetusketjureaktioissa.
Kasvien kriittinen elementti, joka mahdollistaa niiden fotosynteesin, on klorofylli, ainetta, joka löytyy ainutlaatuisista rakenteista nimeltään kloroplastissa.
Fotosynteesin yhtälö
Fotosynteesin nettoreaktio on oikeastaan hyvin yksinkertainen. Siinä todetaan hiilidioksidi ja vesi muuttuvat kevyen energian läsnä ollessa prosessin aikana glukoosiksi ja hapeksi.
6 CO2 + valo + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
Kokonaisreaktio on summa kevyet reaktiot ja tummat reaktiot fotosynteesistä:
Kevyet reaktiot: 12 H2O + valo → O2 + 24 H+ + 24e−
Tummat reaktiot: 6CO2 + 24 H+ + 24 e− → C6H12O6 + 6 H2O
Lyhyesti sanottuna, valoreaktiot käyttävät auringonvaloa pelottaakseen elektroneja, joita kasvi kanavoi sitten ruoan (glukoosin) tuottamiseksi. Kuinka tämä tapahtuu käytännössä, on tutkittu hyvin ja se on osoitus miljardeja vuosia kestäneelle biologiselle evoluutiolle.
Fotosynteesi vs. soluhengitys
Biotieteitä tutkivien ihmisten yleinen väärinkäsitys on, että fotosynteesi on yksinkertaisesti solujen hengitystä päinvastaisesti. Tämä on ymmärrettävää, kun otetaan huomioon, että fotosynteesin nettoreaktio näyttää aivan kuten solujen hengitys - alkaen glykolyysi ja päättyen aerobisissa prosesseissa (Krebs-sykli ja elektronin kuljetusketju) mitokondrioissa - ajaa täsmälleen päinvastoin.
Reaktiot, jotka muuttavat hiilidioksidin glukoosiksi fotosynteesissä, ovat kuitenkin paljon erilaisia kuin ne, joita käytetään vähentämään glukoosi takaisin hiilidioksidiksi solujen hengityksessä. Muista, että kasvit käyttävät myös soluhengitystä. Klooroplastit eivät ole "kasvien mitokondrioita"; kasveilla on myös mitokondrioita.
Ajattele fotosynteesiä jotain, joka tapahtuu lähinnä siksi, että kasveilla ei ole suuta, mutta silti luottavat polttamaan glukoosia ravintoaineena oman polttoaineensa valmistamiseksi. Jos kasvit eivät pysty vielä ottamaan glukoosia nauttimiseen, vaaditaan silti tasainen tarjonta sitä, heidän on tehtävä näennäisesti mahdotonta ja tehtävä se itse. Kuinka kasvit tekevät ruokaa? He käyttävät ulkoista valoa ajamaan pieniä voimalaitoksia sisälle tekemään niin. Se, kuinka he voivat tehdä niin, riippuu suurelta osin siitä, kuinka he todella rakentuvat.
Kasvien rakenne
Rakenteet, joilla on paljon pinta-alaa suhteessa massaan, ovat hyvissä asemissa kaappaamaan suuren osan tiensä läpi kulkevasta auringonvalosta. Siksi kasveilla on lehtiä. Se, että lehdet ovat yleensä kasvien vihreimpiä osia, johtuu klorofyllin tiheydestä lehdissä, koska tässä tapahtuu fotosynteesin työ.
Lehdillä on kehittynyt huokoset pinnoilleen, jota kutsutaan stomataksi (yksittäinen: stoma). Nämä aukot ovat keino, jolla lehti voi hallita CO: n kulkeutumista ja poistumista2, jota tarvitaan fotosynteesiin, ja O2, joka on prosessin jätetuote. (On haitallista ajatella happea jätteenä, mutta tässä tilanteessa, tiukasti sanottuna, se on mikä se on.)
Nämä stomatat auttavat myös lehtiä säätelemään sen vesipitoisuutta. Kun vettä on runsaasti, lehdet ovat jäykempiä ja "täyttyneitä" ja vatsan taipumus pysyä kiinni. Käänteisesti, kun vettä on niukasti, piikkipinta avautuu pyrkiessään auttamaan lehtiä ravitsemaan itseään.
Kasvisolun rakenne
Kasvisolut ovat eukaryoottisia soluja, mikä tarkoittaa, että niillä on molemmat neljä solua, jotka ovat yhteisiä kaikille soluille (DNA, solumembraani, sytoplasma ja ribosomit), sekä joukko erikoistuneita organelleja. Kasvisoluilla, toisin kuin eläin- ja muilla eukaryoottisoluilla, on kuitenkin soluseinät, kuten bakteereilla, mutta ne on rakennettu käyttämällä erilaisia kemikaaleja.
Kasvisoluissa on myös ytimiä, ja niiden organelleihin sisältyy mitokondriat, endoplasminen reticulum, Golgi-elimet, sytoskeleton ja vakuolit. Mutta kriittinen ero kasvisolujen ja muiden eukaryoottisolujen välillä on, että kasvisolut sisältävät kloroplastissa.
Klooriplasti
Kasvisoluissa on organelleja, joita kutsutaan kloroplasteiksi. Kuten mitokondrioita, näiden uskotaan sisällytetyksi eukaryoottisiin organismeihin suhteellisen varhaisessa vaiheessa eukaryoottien evoluutiossa, jolloin kokonaisuuden, jonka on tarkoitus tulla kloroplastiksi, on sitten olemassa itsenäisenä fotosynteesiä suorittavana prokaryoottina.
Klooriplastia, kuten kaikkia organelleja, ympäröi kaksinkertainen plasmamembraani. Tämän kalvon sisällä on strooma, joka toimii tavallaan kuten kloroplastien sytoplasma. Klooroplastien sisällä on myös tylakoidi-nimisiä kappaleita, jotka on järjestetty kuin kolikopinot ja suljettu oman kalvonsa avulla.
Klorofylliä pidetään "fotosynteesin" pigmenttinä, mutta klorofylliä on useita erityyppisiä, ja myös muu pigmentti kuin klorofylli osallistuu fotosynteesiin. Tärkein fotosynteesissä käytetty pigmentti on klorofylli A. Jotkut ei-klorofyylipigmentit, jotka osallistuvat fotosynteesiprosesseihin, ovat punaisia, ruskeita tai sinisiä.
Valojen reaktiot
Fotosynteesin valoreaktiot käyttävät valoenergiaa vetyatomien syrjäyttämiseen vesimolekyyleistä, ja nämä vetyatomit saavat aikaan elektronien virtauksen, jonka lopulta vapauttaa tuleva valo, ja niitä käytetään syntetisoimaan NADPH ja ATP, joita tarvitaan seuraavissa pimeissä reaktioissa.
Valoreaktiot tapahtuvat tylakoidikalvolla, klooriplastin sisällä, kasvisolun sisällä. Ne alkavat, kun valo osuu proteiini-klorofyylikompleksiin, jota kutsutaan valosysteemi II (PSII). Tämä entsyymi vapauttaa vetyatomeja vesimolekyyleistä. Veden happi on sitten vapaa, ja prosessissa vapautuneet elektronit kiinnittyvät molekyyliin nimeltä plastokinoli, muuntamalla se plastokinoniksi. Tämä molekyyli puolestaan siirtää elektroneja entsyymikompleksiin, nimeltään sytokromi b6f. Tämä ctyb6f vie elektronit plastokinonista ja siirtää ne plastoyaniiniin.
Tässä tilanteessa, valokuvasysteemi I (PSI) tulee töihin. Tämä entsyymi ottaa elektronit platosyaniinista ja kiinnittää ne rautaa sisältävään yhdisteeseen nimeltä ferredoksiini. Lopuksi entsyymi nimeltään ferredoxin-NADP+reduktaasi (FNR) NADPH: n valmistamiseksi NADP: stä+. Kaikkia näitä yhdisteitä ei tarvitse muistaa, mutta on tärkeää tuntea mukana olevien reaktioiden "asteittainen" luonne.
Lisäksi, kun PSII vapauttaa vetyä vedestä yllä mainittujen reaktioiden käynnistämiseksi, osa siitä vedystä yleensä haluaa jättää tylakoidin stroomaa varten sen pitoisuusgradientin alapuolella. Tylakoidikalvo hyödyntää tätä luonnollista ulosvirtausta hyödyntämällä sitä kalvossa olevan ATP-syntaasipumpun käynnistämiseen, joka kiinnittää fosfaattimolekyylejä ADP: hen (adenosiinidifosfaatti) ATP: n tuottamiseksi.
Pimeät reaktiot
Fotosynteesin tummat reaktiot on nimetty niin, koska ne eivät luota valoon. Niitä voi kuitenkin esiintyä, kun valoa on, joten tarkempi, jos hankalampi nimi on "valosta riippumattomat reaktiot"Pysyvien asioiden selvittämiseksi tummat reaktiot tunnetaan yhdessä myös Calvin-sykli.
Kuvittele, että hengitettäessä ilmaa keuhkoihin, ilmassa oleva hiilidioksidi voi kulkeutua soluihisi, jotka käyttäisivät sitä sitten saman aineen valmistamiseen, joka syntyy kehosta hajottaessasi syömäsi ruokaa. Itse asiassa tämän takia sinun ei koskaan tarvitse syödä ollenkaan. Tämä on pääasiassa CO: ta käyttävän kasvin elämää2 se kerääntyy ympäristöstä (mikä johtuu suurelta osin muiden eukaryoottien metaboliaprosesseista) tuottamaan glukoosia, jonka se joko varastoi tai polttaa omiin tarpeisiinsa.
Olet jo nähnyt, että fotosynteesi alkaa koputtamalla vetyatomeja vedettömiksi ja käyttämällä näiden atomien energiaa NADPH: n ja ATP: n tuottamiseen. Mutta toistaiseksi ei ole mainittu mitään muuta fotosynteesin syöttöä, CO2. Nyt näet, miksi kaikki tuo NADPH ja ATP korjattiin ensiksi.
Kirjoita Rubisco
Pimeiden reaktioiden ensimmäisessä vaiheessa CO2 kiinnitetään viiden hiilen sokerijohdannaiseen, jota kutsutaan ribuloosi-1,5-bisfosfaatiksi. Tätä reaktiota katalysoi entsyymi ribuloosi-1,5-bisfosfaattikarboksylaasi / oksygenaasi, joka tunnetaan paljon muistettavammin nimellä Rubisco. Tämän entsyymin uskotaan olevan maailman runsasproteiini, kunhan sitä on läsnä kaikissa fotosynteesin kohteena olevissa kasveissa.
Tämä kuuden hiilen välituote on epästabiili ja halkeilee pariksi kolmehiileisiä molekyylejä, joita kutsutaan fosfoglyseraatiksi. Nämä fosforyloidaan sitten kinaasientsyymin avulla 1,3-bisfosfoglyseraatin muodostamiseksi. Tämä molekyyli muunnetaan sitten glyseraldehydi-3-fosfaatiksi (G3P), vapauttaen fosfaattimolekyylejä ja kuluttaen kevyistä reaktioista johdettua NAPDH: ta.
Näissä reaktioissa syntynyt G3P voidaan sitten laittaa lukuisiin erireiteihin, mikä johtaa glukoosin, aminohappojen tai lipidien muodostumiseen kasvisolujen erityistarpeista riippuen. Kasvit syntetisoivat myös glukoosipolymeerejä, jotka ihmisen ruokavaliossa lisäävät tärkkelystä ja kuitua.