Enzymactiviteit in fotosynthese

Inhoud

• Wat is fotosynthese?
• Fotosynthesevergelijking
• Fotosynthese versus cellulaire ademhaling
• De structuur van planten
• Structuur van de plantencel
• De chloroplast
• De lichtreacties
• De donkere reacties
• Voer Rubisco in

Fotosynthese kan als de belangrijkste reactie in de hele biologie worden beschouwd. Onderzoek elk voedselweb of energiestroomsysteem ter wereld en u zult merken dat het uiteindelijk afhankelijk is van energie van de zon voor de stoffen die de organismen daarin ondersteunen. Dieren vertrouwen op zowel de op koolstof gebaseerde voedingsstoffen (koolhydraten) als de zuurstof die fotosynthese genereert, omdat zelfs dieren die al hun voeding krijgen door te jagen op andere dieren, uiteindelijk organismen eten die zelf grotendeels of uitsluitend op planten leven.

Van fotosynthese vloeit dus alle andere processen van energie-uitwisseling die in de natuur worden waargenomen. Net als glycolyse en de reacties van cellulaire ademhaling, heeft fotosynthese een hele reeks stappen, enzymen en unieke aspecten om te overwegen, en het begrijpen van de rollen die de specifieke katalysatoren van fotosynthese spelen in wat neerkomt op de omzetting van licht en gas in voedsel is cruciaal voor het beheersen basis biochemie.

Wat is fotosynthese?

Fotosynthese had iets te maken met de productie van het laatste wat je at, wat dat ook was. Als het plantaardig was, is de claim eenvoudig. Als het een hamburger was, kwam het vlees vrijwel zeker van een dier dat zelf bijna volledig op planten leefde. Iets anders bekeken, als de zon zichzelf vandaag zou afsluiten zonder de wereld te laten afkoelen, wat zou leiden tot het schaars maken van planten, zou de voedselvoorziening van de wereld spoedig verdwijnen; planten, die duidelijk geen roofdieren zijn, bevinden zich helemaal onderaan elke voedselketen.

Fotosynthese is traditioneel verdeeld in de lichte reacties en de donkere reacties. Beide reacties in de fotosynthese spelen een cruciale rol; de eerste zijn afhankelijk van de aanwezigheid van zonlicht of andere lichtenergie, terwijl de laatste niet anders dan afhankelijk zijn van de producten van de lichtreactie om substraat te hebben om mee te werken. In de lichtreacties worden de energiemoleculen gemaakt die de plant nodig heeft om koolhydraten samen te stellen, terwijl de koolhydraatsynthese zelf de donkere reacties veroorzaakt. Dit is in sommige opzichten vergelijkbaar met aërobe ademhaling, waarbij de Krebs-cyclus, hoewel niet een belangrijke directe bron van ATP (adenosinetrifosfaat, de "energievaluta" van alle cellen), veel tussenliggende moleculen genereert die de creatie van een veel ATP in de volgende kettingreacties van elektronentransport.

Het kritieke element in planten waarmee ze fotosynthese kunnen uitvoeren, is chlorophyl, een stof die wordt aangetroffen in unieke structuren genaamd chloroplasten.

Fotosynthesevergelijking

De netto reactie van fotosynthese is eigenlijk heel eenvoudig. Het zegt dat koolstofdioxide en water worden, in aanwezigheid van lichtenergie, tijdens het proces omgezet in glucose en zuurstof.

6 CO₂ + licht + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

De algehele reactie is een som van de lichte reacties en de donkere reacties van fotosynthese:

Licht reacties: 12 H₂O + licht → O₂ + 24 uur⁺ + 24e⁻

Donkere reacties: 6CO₂ + 24 uur⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

Kortom, de lichtreacties gebruiken zonlicht om elektronen af ​​te schrikken die de plant vervolgens kanaliseert om voedsel (glucose) te maken. Hoe dit in de praktijk gebeurt, is goed bestudeerd en is een bewijs van miljarden jaren biologische evolutie.

Fotosynthese versus cellulaire ademhaling

Een veel voorkomende misvatting onder mensen die de levenswetenschappen bestuderen, is dat fotosynthese gewoon omgekeerde cellulaire ademhaling is. Dit is begrijpelijk, gezien het feit dat de netto-reactie van fotosynthese er precies zo uitziet als cellulaire ademhaling - beginnend met glycolyse en eindigend met de aerobe processen (Krebs-cyclus en elektrontransportketen) in mitochondria - precies omgekeerd.

De reacties die bij de fotosynthese koolstofdioxide in glucose omzetten, zijn echter heel anders dan die welke worden gebruikt om glucose terug te brengen tot koolstofdioxide bij cellulaire ademhaling. Planten maken, in gedachten, ook gebruik van cellulaire ademhaling. Chloroplasten zijn niet "de mitochondriën van planten"; planten hebben ook mitochondriën.

Zie fotosynthese als iets dat vooral gebeurt omdat planten geen monden hebben, maar toch vertrouwen op het verbranden van glucose als voedingsstof om hun eigen brandstof te maken. Als planten glucose niet kunnen opnemen, maar er toch een constante toevoer van nodig hebben, moeten ze het schijnbaar onmogelijke doen en het zelf maken. Hoe maken planten voedsel? Ze gebruiken extern licht om kleine energiecentrales in hen aan te drijven om het te doen. Dat ze dit kunnen doen, hangt in grote mate af van hoe ze daadwerkelijk zijn gestructureerd.

De structuur van planten

Structuren die veel oppervlakte hebben in verhouding tot hun massa, zijn goed gepositioneerd om veel zonlicht op te vangen dat langs hun weg komt. Dit is de reden waarom planten bladeren hebben. Het feit dat bladeren meestal het groenste deel van planten zijn, is het resultaat van de dichtheid van chlorofyl in bladeren, omdat dit het werk van fotosynthese is.

Bladeren hebben poriën in hun oppervlakken ontwikkeld die huidmondjes worden genoemd (enkelvoud: stoma). Deze openingen zijn de middelen waarmee het blad de in- en uitgang van CO kan regelen₂, die nodig is voor fotosynthese, en O₂, wat een afvalproduct van het proces is. (Het is contra-intuïtief om zuurstof als afval te beschouwen, maar strikt genomen is dat in deze setting.)

Deze huidmondjes helpen het blad ook zijn watergehalte te reguleren. Als er veel water is, zijn de bladeren stijver en "opgeblazen" en de huidmondjes zijn geneigd gesloten te blijven. Omgekeerd, wanneer water schaars is, openen de huidmondjes zich in een poging om het blad te helpen zichzelf te voeden.

Structuur van de plantencel

Plantencellen zijn eukaryotische cellen, wat betekent dat ze zowel de vier structuren hebben die alle cellen gemeen hebben (DNA, een celmembraan, cytoplasma en ribosomen) en een aantal gespecialiseerde organellen. Plantencellen hebben echter, in tegenstelling tot dierlijke en andere eukaryotische cellen, celwanden, zoals bacteriën dat doen, maar gebouwd met behulp van verschillende chemicaliën.

Plantencellen hebben ook kernen, en hun organellen omvatten de mitochondriën, het endoplasmatisch reticulum, Golgi-lichamen, een cytoskelet en vacuolen. Maar het kritieke verschil tussen plantencellen en andere eukaryotische cellen is dat plantencellen bevatten chloroplasten.

De chloroplast

In plantencellen bevinden zich organellen die chloroplasten worden genoemd. Net als mitochondria, wordt aangenomen dat deze relatief vroeg in de evolutie van eukaryoten in eukaryotische organismen zijn opgenomen, waarbij de entiteit bestemd was om een ​​chloroplast te worden en dan bestond als een vrijstaande fotosynthese-presterende prokaryoot.

De chloroplast is, net als alle organellen, omgeven door een dubbel plasmamembraan. Binnen dit membraan bevindt zich het stroma, dat ongeveer hetzelfde werkt als het cytoplasma van chloroplasten. Ook in de chloroplasten bevinden zich lichamen die thylakoïde worden genoemd, die zijn gerangschikt als stapels munten en worden ingesloten door een eigen membraan.

Chlorofyl wordt beschouwd als "het" pigment van fotosynthese, maar er zijn verschillende soorten chlorofyl, en pigment anders dan chlorofyl neemt ook deel aan de fotosynthese. Het belangrijkste pigment dat wordt gebruikt bij fotosynthese is chlorofyl A. Sommige niet-chlorofylpigmenten die deelnemen aan fotosyntheseprocessen zijn rood, bruin of blauw van kleur.

De lichtreacties

De lichtreacties van fotosynthese gebruiken lichtenergie om waterstofatomen uit watermoleculen te verplaatsen, waarbij deze waterstofatomen, aangedreven door de stroom van elektronen die uiteindelijk vrijkomen door invallend licht, worden gebruikt om NADPH en ATP te synthetiseren, die nodig zijn voor de daaropvolgende donkere reacties.

De lichtreacties treden op op het thylakoïde membraan, in de chloroplast, in de plantencel. Ze komen op gang wanneer licht een eiwit-chlorofylcomplex raakt fotosysteem II (PSII). Dit enzym maakt de waterstofatomen vrij van watermoleculen. De zuurstof in het water is dan vrij en de elektronen die tijdens het proces worden vrijgemaakt, worden aan een molecuul, plastoquinol, gehecht, waardoor het plastoquinon wordt. Deze molecule draagt ​​op zijn beurt de elektronen over naar een enzymcomplex genaamd cytochrome b6f. Deze ctyb6f haalt de elektronen uit plastoquinone en verplaatst ze naar plastocyanine.

Op dit punt, fotosysteem I (PSI) gaat aan het werk. Dit enzym haalt de elektronen uit plastocyanine en hecht ze aan een ijzerhoudende verbinding, ferredoxine genaamd. Eindelijk een enzym genaamd ferredoxine-NADP⁺reductase (FNR) om NADPH te maken van NADP⁺. U hoeft al deze verbindingen niet te onthouden, maar het is belangrijk om een ​​idee te hebben van de trapsgewijze, "overdracht" aard van de betrokken reacties.

Wanneer PSII waterstof uit water vrijmaakt om de bovengenoemde reacties aan te drijven, heeft een deel van die waterstof de neiging om de thylakoïde te verlaten voor het stroma, naar beneden in de concentratiegradiënt. Het thylakoïde membraan profiteert van deze natuurlijke uitstroom door het te gebruiken om een ​​ATP-synthasepomp in het membraan aan te drijven, die fosfaatmoleculen aan ADP (adenosinedifosfaat) hecht om ATP te maken.

De donkere reacties

De donkere reacties van fotosynthese worden zo genoemd omdat ze niet afhankelijk zijn van licht. Ze kunnen echter voorkomen wanneer er licht aanwezig is, dus een meer accurate, of omslachtigere naam is "lichtonafhankelijke reacties. "Om de zaak verder op te helderen, worden de duistere reacties samen ook wel de Calvin cyclus.

Stel je voor dat bij het inademen van lucht in je longen, de koolstofdioxide in die lucht in je cellen terechtkomt, die het vervolgens zou gebruiken om dezelfde stof te maken die het gevolg is van het feit dat je lichaam het voedsel dat je eet afbreekt. Hierdoor zou je eigenlijk nooit hoeven te eten. Dit is in wezen het leven van een plant, die CO gebruikt₂ het verzamelt zich uit de omgeving (die er grotendeels is als gevolg van de metabole processen van andere eukaryoten) om glucose te maken, die het vervolgens opslaat of verbrandt voor zijn eigen behoeften.

Je hebt al gezien dat fotosynthese begint door waterstofatomen vrij van water te kloppen en de energie van die atomen te gebruiken om wat NADPH en wat ATP te maken. Maar tot nu toe is er geen melding gemaakt van de andere input voor fotosynthese, CO2. Nu zul je zien waarom al die NADPH en ATP in de eerste plaats werden geoogst.

Voer Rubisco in

In de eerste stap van de donkere reacties is CO2 gehecht aan een suikerderivaat met vijf koolstofatomen, 1,5-bisfosfaat ribulose genoemd. Deze reactie wordt gekatalyseerd door het enzym ribulose-1,5-bisfosfaatcarboxylase / oxygenase, veel meer bekend als Rubisco. Aangenomen wordt dat dit enzym het meest voorkomende eiwit ter wereld is, gezien het aanwezig is in alle planten die fotosynthese ondergaan.

Dit tussenproduct met zes koolstofatomen is onstabiel en splitst zich in een paar drie koolstofmoleculen genaamd fosfoglyceraat. Deze worden vervolgens gefosforyleerd door een kinase-enzym om 1,3-bisfosfoglyceraat te vormen. Dit molecuul wordt vervolgens omgezet in glyceraldehyde-3-fosfaat (G3P), waarbij fosfaatmoleculen vrijkomen en NAPDH wordt verbruikt dat is afgeleid van de lichtreacties.

De G3P gecreëerd in deze reacties kan vervolgens in een aantal verschillende paden worden geplaatst, wat resulteert in de vorming van glucose, aminozuren of lipiden, afhankelijk van de specifieke behoeften van de plantencellen. Planten synthetiseren ook glucosepolymeren die in het menselijke dieet zetmeel en vezels bijdragen.