Sisu
- Mis on fotosüntees?
- Fotosünteesi võrrand
- Fotosüntees vs rakuhingamine
- Taimede struktuur
- Taimeraku struktuur
- Klooroplast
- Valguse reaktsioonid
- Tumedad reaktsioonid
- Sisestage Rubisco
Fotosünteesi võib õigustatult nimetada kogu bioloogia kõige olulisemaks reaktsiooniks. Uurige kõiki toiduvõrke või energiavoolusüsteeme maailmas ja leiate, et lõppkokkuvõttes sõltub see selles sisalduvaid organisme säilitavatest ainetest päikeseenergiast. Loomad sõltuvad nii süsinikupõhistest toitainetest (süsivesikutest) kui ka hapnikust, mida fotosüntees tekitab, sest isegi loomad, kes saavad kogu oma toitumise teistele loomadele ette söötes, lõpetavad söömisorganismid, kes elavad enamasti või eranditult taimedel.
Fotosünteesist voolab seega kõik muud looduses täheldatud energiavahetuse protsessid. Nagu glükolüüs ja rakulise hingamise reaktsioonid, on ka fotosünteesil vaja arvestada etappide, ensüümide ja ainulaadsete aspektidega ning nende rollide mõistmine, mida spetsiifilised fotosünteesi katalüsaatorid mängivad valguse ja gaasi muundamisel toiduks, on ülioluline põhiline biokeemia.
Mis on fotosüntees?
Fotosünteesil oli midagi pistmist viimase söödud toote valmistamisega, mis iganes see ka polnud. Kui see oli taimepõhine, on väide otsekohene. Kui see oli hamburger, pärines liha peaaegu kindlasti loomalt, kes ise elas peaaegu täielikult taimedel. Mõneti teisiti, kui päike lülitaks end tänapäeval ilma maailma jahtumist põhjustamata, mis viiks taimede nappuseni, kaoks maailma toiduga varustamine peagi; taimed, mis pole ilmselgelt röövloomad, on igasuguse toiduahela lõpus.
Fotosüntees jaguneb traditsiooniliselt kergeteks ja tumedateks reaktsioonideks. Mõlemad fotosünteesi reaktsioonid mängivad olulist rolli; esimesed sõltuvad päikesevalguse või muu valguse energia olemasolust, teised aga sõltuvad valguse reageerimise produktidest, millel on substraat, millega töötada. Kergetes reaktsioonides valmistatakse energiamolekulid, mida taim vajab süsivesikute kokkupanemiseks, samal ajal kui süsivesikute süntees ise põhjustab tumedaid reaktsioone. See sarnaneb mõnes mõttes aeroobse hingamisega, kus Krebsi tsükkel, ehkki mitte peamine ATP otsene allikas (adenosiintrifosfaat, kõigi rakkude "energiavaluuta"), genereerib palju vahemolekule, mis suunavad järgnevates elektronide transpordiahela reaktsioonides palju ATP-d.
Taimede kriitiline element, mis võimaldab neil fotosünteesi läbi viia, on klorofüll, ainet, mida leidub ainulaadsetes struktuurides nimega kloroplastid.
Fotosünteesi võrrand
Fotosünteesi netoreaktsioon on tegelikult väga lihtne. Selles öeldakse: süsinikdioksiid ja vesi muundatakse valguse energia olemasolul protsessi käigus glükoosiks ja hapnikuks.
6 CO2 + kerge + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
Üldine reaktsioon on summa kerged reaktsioonid ja tumedad reaktsioonid fotosünteesi
Kerged reaktsioonid: 12 H2O + tuli → O2 + 24 H+ + 24e−
Tumedad reaktsioonid: 6CO2 + 24 H+ + 24 e− → C6H12O6 + 6 H2O
Lühidalt, valgusereaktsioonid kasutavad päikesevalgust elektronide hirmutamiseks, mida taim seejärel kanaliseerib toidu (glükoos) valmistamiseks. Kuidas see praktikas toimub, on hästi uuritud ja see annab tunnistust miljardeid aastaid kestnud bioloogilisest arengust.
Fotosüntees vs rakuhingamine
Bioteadusi õppivate inimeste seas on levinud eksiarvamus, et fotosüntees on lihtsalt vastupidine rakuhingamine. See on mõistetav, arvestades, et fotosünteesi netoreaktsioon näeb välja täpselt nagu rakkude hingamine - alustades glükolüüsist ja lõpetades mitokondrites tekkivate aeroobsete protsessidega (Krebsi tsükkel ja elektronide transpordiahel) - täpselt vastupidiselt.
Reaktsioonid, mis muudavad süsinikdioksiidi fotosünteesis glükoosiks, on siiski palju erinevad kui need, mida kasutatakse rakuhingamisel glükoosi taandamiseks süsinikdioksiidiks. Pidage meeles, et taimed kasutavad ka rakulist hingamist. Kloroplastid ei ole "taimede mitokondrid"; taimedel on ka mitokondrid.
Mõelge fotosünteesile kui millelegi, mis toimub peamiselt seetõttu, et taimedel pole suud, kuid loodavad siiski omaenda kütuse tootmiseks toitainena glükoosipõletust. Kui taimed ei suuda glükoosi alla neelata, vajavad nad siiski püsivalt varustamist, peavad nad tegema näiliselt võimatu ja tegema selle ise. Kuidas taimed toitu valmistavad? Nad kasutavad välist valgust, et juhtida pisikesi elektrijaamu nende sees. See, kas nad seda suudavad, sõltub suuresti sellest, kuidas nad tegelikult üles ehitatud on.
Taimede struktuur
Konstruktsioonid, mille pindala on nende massi suhtes palju, on hea positsiooniga, et hõivata suurt osa nende teelt mööduvast päikesevalgusest. Seetõttu on taimedel lehed. Fakt, et lehed on tavaliselt taimede rohelisem osa, tuleneb lehtedes sisalduva klorofülli tihedusest, kuna just siin toimubki fotosünteesi töö.
Lehtede pinnal on arenenud poorid, mida nimetatakse stomata (ainsuses: stoma). Need avad on vahendid, mille abil leht saab kontrollida CO sisenemist ja väljumist2, mida on vaja fotosünteesiks, ja O2, mis on protsessi jäätmesaadus. (Hapniku kui jäätmete moodustamine ei ole mõistlik, kuid selles olukorras tähendab see rangelt seda.)
Need stomaadid aitavad ka lehel selle veesisaldust reguleerida. Kui vett on küllaga, on lehed jäigemad ja "täispuhutud" ning harilikud kipuvad jääma suletuks. Ja vastupidiselt, kui vett napib, avanevad tähnad, et aidata lehel endal toituda.
Taimeraku struktuur
Taimerakud on eukarüootsed rakud, mis tähendab, et neil on nii kõigil rakkudel ühine neli struktuuri (DNA, rakumembraan, tsütoplasma ja ribosoomid) kui ka mitmed spetsialiseerunud organellid. Taimerakkudel on erinevalt loomsetest ja teistest eukarüootsetest rakkudest siiski rakuseinad, nagu bakteritel, kuid mille valmistamisel kasutatakse erinevaid kemikaale.
Taimerakkudel on ka tuumad ja nende organellideks on mitokondrid, endoplasmaatiline retikulum, Golgi kehad, tsütoskelett ja vakuoolid. Kuid taimerakkude ja teiste eukarüootsete rakkude kriitiline erinevus on see, et taimerakud sisaldavad kloroplastid.
Klooroplast
Taimerakkudes asuvad organellid, mida nimetatakse kloroplastideks. Sarnaselt mitokondritele arvatakse, et need on eukarüootsetesse organismidesse inkorporeeritud suhteliselt varakult eukarüootide evolutsioonis, kusjuures üksus on mõeldud saama kloroplasti, mis eksisteerib siis iseseisva fotosünteesi teostava prokarüootina.
Kloroplast, nagu kõik organellid, on ümbritsetud kahekordse plasmamembraaniga. Selle membraani sees on stroom, mis toimib nagu kloroplastide tsütoplasma. Kloroplastide sees on ka tülakoidideks nimetatud kehad, mis on paigutatud mündipakkidena ja ümbritsetud omaenda membraaniga.
Klorofülli peetakse fotosünteesi "pigmendiks", kuid klorofülli on mitut erinevat tüüpi ja fotosünteesis osalevad ka muud pigment peale klorofülli. Peamine fotosünteesis kasutatav pigment on klorofüll A. Mõned mitteklorofüllilised pigmendid, mis osalevad fotosünteesi protsessides, on punase, pruuni või sinise värvi.
Valguse reaktsioonid
Fotosünteesi kergetes reaktsioonides kasutatakse vesinikuaatomite veemolekulidest väljatõrjumiseks valgusenergiat. Nende vesinikuaatomite toimel toimub sissetuleva valguse poolt lõpuks vabastatud elektronide vool, mida kasutatakse NADPH ja ATP sünteesimiseks, mis on vajalikud järgnevateks tumedateks reaktsioonideks.
Valgusreaktsioonid toimuvad tülakoidmembraanil, kloroplasti sees, taimeraku sees. Nad saavad käiku, kui valgus lööb valgu-klorofülli kompleksi, mida nimetatakse II fotosüsteem (PSII). See ensüüm vabastab vesiniku aatomid veemolekulidest. Seejärel on vees olev hapnik vaba ja protsessis vabanenud elektronid kinnituvad molekulis nimega plastoquinol, muutes selle plastokinooniks. See molekul omakorda viib elektronid üle ensüümikompleksi, mida nimetatakse tsütokroom b6f. See ctyb6f võtab elektronid plastokinoonist ja viib nad plastotsüaniini.
Sel hetkel, I fotosüsteem (PSI) astub tööle. See ensüüm võtab elektronid plastotsüaniinist ja seob need rauda sisaldava ühendiga, mida nimetatakse ferredoksiiniks. Lõpuks ensüüm nimega ferredoksiin-NADP+reduktaas (FNR) NADPH saamiseks NADP-st+. Te ei pea kõiki neid ühendeid meelde jätma, kuid oluline on tunnetada kaasnevate reaktsioonide järkjärgulist, "loovutavat" olemust.
Samuti, kui PSII vabastab veest vesinikku ülalnimetatud reaktsioonide käivitamiseks, kipub osa sellest vesinikust tahtma jätta tülakoidi strooma jaoks, oma kontsentratsioonigradiendi allapoole. Tülakoidne membraan kasutab ära seda looduslikku väljavoolu, kasutades seda membraanis oleva ATP süntaasipumba toiteks, mis seob ATP saamiseks fosfaatmolekulid ADP-ga (adenosiindifosfaat).
Tumedad reaktsioonid
Fotosünteesi tumedaid reaktsioone nimetatakse nii, kuna need ei sõltu valgust. Need võivad ilmneda valguse olemasolul, nii et täpsem ja tülikam nimi on "valgusest sõltumatud reaktsioonid"Asjade edasiseks selgitamiseks nimetatakse tumedaid reaktsioone koos ka Calvini tsükkel.
Kujutage ette, et kopsudesse õhu sissehingamisel võiks selles õhus olev süsinikdioksiid pääseda teie rakkudesse, mis seejärel kasutaksid seda sama aine valmistamiseks, mis saadakse teie kehas söödava toidu lagundamisel. Tegelikult ei peaks selle pärast kunagi üldse sööma. See on peamiselt CO-d kasutava taime elu2 see koguneb keskkonnast (mis on suures osas teiste eukarüootide ainevahetusprotsesside tulemusel) glükoosiks, mida ta siis enda vajadusteks kas ladustab või põletab.
Olete juba näinud, et fotosüntees algab vesinikuaatomite veest vabaks koputamise ja nendest aatomitest saadava energia abil mõne NADPH ja mõne ATP saamiseks. Kuid siiani pole mainitud muud fotosünteesi sisendit - CO2. Nüüd näete, miks kogu see NADPH ja ATP koristati.
Sisestage Rubisco
Tumedate reaktsioonide esimeses etapis kinnitatakse CO2 viie süsiniku suhkru derivaadile, mida nimetatakse ribuloos-1,5-bisfosfaadiks. Seda reaktsiooni katalüüsib ensüüm ribuloos-1,5-bisfosfaatkarboksülaas / oksügenaas, mis on palju meeldejäävam kui Rubisco. Arvatakse, et see ensüüm on kõige rikkalikum valk maailmas, arvestades, et seda leidub kõigis taimedes, kus toimub fotosüntees.
See kuus süsinikku sisaldav vaheühend on ebastabiilne ja lõheneb kolme süsiniku molekulide paariks, mida nimetatakse fosfoglütseraadiks. Seejärel fosforüülitakse need kinaasensüümi toimel, saades 1,3-bisfosfoglütseraadi. Seejärel muundatakse see molekul glütseraldehüüd-3-fosfaadiks (G3P), vabastades fosfaatmolekulid ja tarbides kergetest reaktsioonidest saadud NAPDH.
Nendes reaktsioonides loodud G3P saab seejärel paigutada paljudesse erinevatesse radadesse, mille tulemuseks on sõltuvalt taimerakkude konkreetsetest vajadustest moodustada glükoos, aminohapped või lipiidid. Taimed sünteesivad ka glükoosi polümeere, mis inimese toidulaual annavad tärklist ja kiudaineid.