Tartalom
- Mi a fotoszintézis?
- Fotoszintézis egyenlet
- Fotoszintézis vs. sejtes légzés
- A növények felépítése
- A növényi sejt felépítése
- A kloroplaszt
- A fény reakciói
- A sötét reakciók
- Lépjen be a Rubiscóba
A fotoszintézist jogszerűen meg lehet nevezni a biológia legfontosabb reakciójának. Vizsgálja meg a világ bármely táplálékhálóját vagy energiaáramlási rendszerét, és meg fogja találni, hogy végül a nap energiájára támaszkodik az ott élő szervezeteket fenntartó anyagok számára. Az állatok támaszkodnak mind a szén-alapú tápanyagokra (szénhidrátokra), mind az oxigénre, amelyet a fotoszintézis generál, mivel még azok az állatok is táplálkoznak, amelyek teljes táplálkozásukat más állatokkal való áldozással érik el, így azok az étkezési organizmusok válnak fel, amelyek maguk túlnyomórészt vagy kizárólag növényeken élnek.
A fotoszintézisből tehát a természetben megfigyelt energiacsere-folyamatok folynak meg. A glikolízishez és a sejtek légzési reakcióihoz hasonlóan a fotoszintézisnek számos lépése van, enzimekkel és egyedi szempontokkal kell mérlegelnie, valamint annak megértése, hogy a fotoszintézis speciális katalizátorai milyen szerepet játszanak abban, hogy a fény és gáz átalakul-e élelembe, kritikus fontosságúak a megalkotás szempontjából. alapvető biokémia.
Mi a fotoszintézis?
A fotoszintézisnek köze volt ahhoz, hogy előállítsák az utoljára fogyasztott ételt, bármi is legyen az. Növényi alapú állítás egyértelmű. Ha hamburger volt, akkor a hús minden bizonnyal egy olyan állatból származik, amely maga szinte teljes egészében növényekben él. Valahogy másként nézett ki, ha a nap ma leállna, anélkül, hogy a világ lehűlne, ami a növények szűkösségéhez vezetne, a világ élelmezési ellátása hamarosan eltűnik; a növények, amelyek nyilvánvalóan nem ragadozók, minden tápláléklánc alján vannak.
A fotoszintézist hagyományosan a könnyű és a sötét reakciókra osztják. A fotoszintézisben mindkét reakció kritikus szerepet játszik; az előbbiek a napfény vagy más fényenergia jelenlétére támaszkodnak, míg az utóbbi nem csak a fényreakció termékeitől függ, amelyekkel a szubsztrát működni fog. A könnyű reakciók során előállítják azokat az energiamolekulákat, amelyekre a növénynek szénhidrát összeállításához szüksége van, míg a szénhidrát szintézis maga a sötét reakciókat végzi. Ez bizonyos szempontból hasonló az aerob légzéshez, ahol a Krebs-ciklus, bár nem az ATP fő közvetlen forrása (adenozin-trifoszfát, az összes sejt „energia pénzneme”), sok közbenső molekulát generál, amelyek egy nagy mennyiségű ATP a következő elektronszállító láncreakciókban.
A növényekben a kritikus elem, amely lehetővé teszi számukra a fotoszintézis végrehajtását klorofill, olyan anyag, amely az úgynevezett egyedi struktúrákban található kloroplasztokat.
Fotoszintézis egyenlet
A fotoszintézis nettó reakciója valójában nagyon egyszerű. Ezt állítja A szén-dioxid és a víz, fényenergia jelenlétében, a folyamat során glükózzá és oxigénné alakulnak.
6 CO2 + fény + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
Az általános reakció a könnyű reakciók és a sötét reakciók a fotoszintézisből:
Könnyű reakciók: 12H2O + fény → O2 + 24 H+ + 24e−
Sötét reakciók: 6CO2 + 24 H+ + 24 e− → C6H12O6 + 6 H2O
Röviden: a fényreakciók napfényt használnak arra, hogy megijesztsék az elektronokat, amelyeket a növény ezután táplálék (glükóz) előállításához vezet. Hogyan történik ez a gyakorlatban, jól megvizsgálták, és ez tanúsítja a biológiai evolúció több milliárd éves évét.
Fotoszintézis vs. sejtes légzés
Az élettudományokat tanulmányozó emberek körében általános tévhit, hogy a fotoszintézis pusztán celluláris légzés fordított irányban. Ez érthető, mivel a fotoszintézis nettó reakciója ugyanúgy néz ki, mint a sejtek légzése - kezdve a glikolízissel és az aerob folyamatokkal (Krebs-ciklus és elektronszállító lánc) a mitokondriumokban -, pontosan fordítva.
A fotoszintézis során a szén-dioxid glükózdá történő átalakításának reakciói azonban nagyon különböznek azoktól, amelyeket a celluláris légzés során a glükóz szén-dioxiddá történő csökkentésére használnak. Ne feledje, hogy a növények a sejtek légzését is használják. A kloroplasztok nem "növények mitokondriumai"; a növényeknek mitokondriumok is vannak.
Gondolj a fotoszintézisre, mint olyan eseményre, amely elsősorban azért történik, mert a növényeknek nincs szája, de még mindig támaszkodnak a glükóz égetésére tápanyagként, hogy elkészítsék saját üzemanyagukat. Ha a növények még nem tudják bevenni a glükózt, még mindig folyamatos ellátást igényelnek, akkor a látszólag lehetetlennek kell lenniük, és maguknak kell elkészíteniük. Hogyan készítik a növények ételt? Külső fényt használnak, hogy apró erőműveket vezessenek bennük. Hogy ezt meg tudják tenni, nagymértékben függ attól, hogy valóban hogyan épül fel.
A növények felépítése
Azok a szerkezetek, amelyek tömegükhez viszonyítva nagy felülettel rendelkeznek, jó helyzetben vannak, hogy az útjukat áthaladó napfény nagy részét felvegyék. Ez az oka annak, hogy a növényeknek vannak levelei. Az a tény, hogy a levelek általában a növények legzöldebb részei, a levelekben lévő klorofill sűrűségének az eredménye, mivel itt történik a fotoszintézis.
A levelek pórusai kialakultak felületükön, stomata néven (szinguláris: sztóma). Ezek a nyílások képesek arra, hogy a levél ellenőrizze a CO bejutását és kilépését2, amelyre szükség van a fotoszintézishez, és O2, amely a folyamat hulladék terméke. (Ellentmondásos az oxigént mint hulladékot értelmezni, de ebben a helyzetben, szigorúan véve, az az, ami az.)
Ezek a sztóma a levél víztartalmának szabályozásában is segítenek. Ha bőséges víz van, a levelek merevebbek és "felfújtak", a sztóma pedig hajlamos marad zárva maradni. Ezzel szemben, ha kevés víz van, a sztóma kinyílik annak érdekében, hogy segítsen a levélnek táplálkozni.
A növényi sejt felépítése
A növényi sejtek eukarióta sejtek, ami azt jelenti, hogy mind az összes sejthez tartozó négy szerkezettel (DNS, sejtmembrán, citoplazma és riboszómák), valamint számos speciális organellussal rendelkeznek. A növényi sejtek azonban - az állati és más eukarióta sejtektől eltérően - sejtfallal rendelkeznek, mint a baktériumok, de különböző vegyszerek felhasználásával készültek.
A növényi sejteknek is vannak magjai, és organelláik magukban foglalják a mitokondriumokat, az endoplazmatikus retikulumot, a Golgi testet, a citoszkeletont és a vákuumokat. De a növényi sejtek és az egyéb eukarióta sejtek közötti kritikus különbség az, hogy a növényi sejtek tartalmaznak kloroplasztokat.
A kloroplaszt
A növényi sejtekben organellák vannak, amelyeket kloroplasztoknak hívnak. A mitokondriumokhoz hasonlóan ezeket is úgy gondolják, hogy az eukarióta evolúciójának viszonylag korai szakaszában beépültek az eukarióta szervezetekbe, és az entitás kloroplasztvá válik, amely akkor önálló, fotoszintézist végző prokariótaként létezik.
A kloroplasztot, mint az összes organellát, kettős plazmamembrán veszi körül. Ezen a membránon belül található a stroma, amely hasonlóan működik, mint a kloroplasztok citoplazma. A kloroplasztokon belül a tiroidoknak nevezett testek is vannak, amelyek érmecsomagokként vannak elrendezve és amelyeket saját membrán zár körül.
A klorofill a fotoszintézis "pigmentje", de a klorofillnek számos különféle típusa létezik, és a klorofillön kívüli pigment is részt vesz a fotoszintézisben. A fotoszintézisben a fő pigment a klorofill A. Néhány nem klorofill pigment, amelyek részt vesznek a fotoszintézis folyamatokban, vörös, barna vagy kék színűek.
A fény reakciói
A fotoszintézis fényreakciói fényenergiát használnak a hidrogénatomok kiszorítására a vízmolekulákból, ezeknek a hidrogénatomoknak a bejövő fény által végül felszabaduló elektronok áramlása táplálja őket, és ezeket a következő sötét reakciókhoz szükséges NADPH és ATP szintéziséhez használják fel.
A könnyű reakciók a tiroid membránon, a kloroplaszt belsejében, a növényi sejtben zajlanak. Úgy haladnak el, amikor a fény egy fehérje-klorofill komplexet hív II. fotórendszer (PSII). Ez az enzim szabadítja fel a hidrogénatomokat a vízmolekulákból. A vízben lévő oxigén ezután szabad, és a folyamat során felszabadult elektronok egy plasztokinol nevű molekulához kapcsolódnak, és plasztokinonré alakulnak. Ez a molekula viszont továbbítja az elektronokat egy citokróm b6f nevű enzimkomplexbe. Ez a ctyb6f elveszi az elektronokat a plasztokinonból és mozgatja őket plasztocianinba.
Ezen a ponton, I. fotórendszer (PSI) elkezdi a munkát. Ez az enzim elvonja az elektronokat a plasztocianinból, és hozzákapcsolja azokat egy vastartalmú vegyülethez, az úgynevezett ferredoxin-hoz. Végül egy ferredoxin – NADP enzim+reduktáz (FNR) NADPH előállításához NADP-ből+. Nem kell megjegyeznie ezeket a vegyületeket, de fontos, hogy megértsük az érintett reakciók lépcsőzetes "átadását".
Továbbá, amikor a PSII felszabadítja a hidrogént a vízbõl a fenti reakciók végrehajtása érdekében, ennek a hidrogénnek egy része hajlamos arra, hogy a tiroidot a stroma számára hagyja el koncentrációs gradiense alatt. A tiroidos membrán kihasználja ezt a természetes kiáramlást azáltal, hogy a membránban egy ATP-szintáz-szivattyút táplál meg, amely foszfátmolekulákat az ADP-hez (adenozin-difoszfát) kapcsol az ATP előállításához.
A sötét reakciók
A fotoszintézis sötét reakcióit azért nevezték el, mert nem támaszkodnak a fényre. Ezek azonban akkor fordulhatnak elő, amikor fény van, tehát egy pontosabb, ha nehézkes név "fényfüggetlen reakciók"A dolgok további tisztázása érdekében a sötét reakciókat együttesen nevezzük Calvin ciklus.
Képzelje el, hogy ha a levegőt belélegzi a tüdőbe, akkor a levegőben lévő szén-dioxid bejuthat a sejtekbe, amelyek aztán felhasználják ugyanazon anyag előállítására, amely a testében az elfogyasztott étel lebontásából származik. Valójában emiatt soha nem kellene enni. Ez lényegében egy növény élettartama, amely a CO-t használja2 a környezetből (ami nagyrészt más eukarióták anyagcseréjének eredményeként jön létre) glükóz előállításához, amelyet azután saját igényeihez tárol vagy eléget.
Már látta, hogy a fotoszintézis azzal indul el, hogy a hidrogénatomokat vízmentesen kopogtatja el, és ezeknek az atomoknak az energiáját felhasználja némi NADPH és néhány ATP előállításához. De eddig nem említik a fotoszintézisbe bevitt másik tényezőt, a CO2-t. Most meglátja, hogy az összes ilyen NADPH-t és ATP-t miért vágták le.
Lépjen be a Rubiscóba
A sötét reakciók első lépésében a szén-dioxidot egy öt széntartalmú cukor-származékhoz kapcsolják, az úgynevezett ribulóz-1,5-bisz-foszfátot. Ezt a reakciót a ribulóz-1,5-bisz-foszfát-karboxiláz / oxigénáz enzim katalizálja, amely sokkal emlékezetesebben rubiscopromoter. Úgy gondolják, hogy ez az enzim a legszélesebb fehérje a világon, mivel minden növényben megtalálható, amelyben fotoszintézis folyik.
Ez a hat széntartalmú közbenső termék instabil és foszfor-glicerátnak nevezett háromszén-molekula-párra osztódik. Ezeket egy kináz enzimmel foszforilálják, és így 1,3-bisz-foszfo-glicerátot képeznek. Ezt a molekulát ezután gliceráldehid-3-foszfáttá (G3P) alakítják, felszabadítva a foszfát molekulákat és elfogyasztva a könnyű reakciókból származó NAPDH-t.
Az ezekben a reakciókban létrehozott G3P ezután számos különböző útba helyezhető, így glükóz, aminosavak vagy lipidek képződését eredményezheti, a növényi sejtek sajátos igényeitől függően. A növények szintén olyan glükózpolimereket szintetizálnak, amelyek az emberi étrendben hozzájárulnak a keményítő és a rost mennyiségéhez.