Enzymaktivität in der Photosynthese

Inhalt

• Was ist Photosynthese?
• Photosynthesegleichung
• Photosynthese vs. Zellatmung
• Die Struktur der Pflanzen
• Struktur der Pflanzenzelle
• Der Chloroplast
• Die Lichtreaktionen
• Die dunklen Reaktionen
• Betreten Sie Rubisco

Die Photosynthese kann mit Recht als die wichtigste Reaktion in der gesamten Biologie bezeichnet werden. Untersuchen Sie jedes Nahrungsnetz oder Energieflusssystem auf der Welt, und Sie werden feststellen, dass es letztendlich auf der Energie der Sonne für die Substanzen beruht, die die Organismen darin unterstützen. Tiere sind sowohl auf die kohlenstoffbasierten Nährstoffe (Kohlenhydrate) als auch auf den Sauerstoff angewiesen, den die Photosynthese erzeugt, denn selbst Tiere, die sich von anderen Tieren ernähren, ernähren sich von Organismen, die sich größtenteils oder ausschließlich von Pflanzen ernähren.

Aus der Photosynthese entspringen somit alle anderen in der Natur beobachteten Prozesse des Energieaustauschs. Wie bei der Glykolyse und den Reaktionen der Zellatmung sind bei der Photosynthese eine Reihe von Schritten, Enzymen und einzigartigen Aspekten zu berücksichtigen und zu verstehen, welche Rolle die spezifischen Katalysatoren der Photosynthese bei der Umwandlung von Licht und Gas in Lebensmittel spielen grundlegende Biochemie.

Was ist Photosynthese?

Die Photosynthese hatte etwas mit der Produktion des letzten Essens zu tun, was auch immer das war. Wenn es auf pflanzlicher Basis war, ist der Anspruch unkompliziert. Wenn es sich um einen Hamburger handelte, stammte das Fleisch mit ziemlicher Sicherheit von einem Tier, das sich fast ausschließlich von Pflanzen ernährte. Etwas anders gesehen, würde sich die Sonne heute abschalten, ohne dass sich die Welt abkühlt, was dazu führen würde, dass die Pflanzen knapp werden, würde die Nahrungsversorgung der Welt bald verschwinden. Pflanzen, die eindeutig keine Raubtiere sind, befinden sich am Ende jeder Nahrungskette.

Die Photosynthese wird traditionell in die Lichtreaktionen und die Dunkelreaktionen unterteilt. Beide Reaktionen in der Photosynthese spielen eine entscheidende Rolle. Die ersteren sind auf die Anwesenheit von Sonnenlicht oder anderer Lichtenergie angewiesen, während die letzteren nicht auf die Produkte der Lichtreaktion angewiesen sind, um mit dem Substrat arbeiten zu können. Bei den Lichtreaktionen entstehen die Energiemoleküle, die die Pflanze benötigt, um Kohlenhydrate aufzubauen, während bei der Kohlenhydratsynthese selbst die Dunkelreaktionen ablaufen. Dies ähnelt in gewisser Weise der aeroben Atmung, bei der der Krebszyklus, obwohl er keine der wichtigsten direkten ATP-Quellen (Adenosintriphosphat, die "Energiewährung" aller Zellen) ist, viele Zwischenmoleküle erzeugt, die die Bildung von a antreiben viel ATP in den nachfolgenden Elektronentransportkettenreaktionen.

Das entscheidende Element in Pflanzen, das es ihnen ermöglicht, Photosynthese zu betreiben, ist Chlorophyll, eine Substanz, die in einzigartigen Strukturen namens gefunden wird Chloroplasten.

Photosynthesegleichung

Die Nettoreaktion der Photosynthese ist eigentlich sehr einfach. Es sagt, dass Kohlendioxid und Wasser werden in Gegenwart von Lichtenergie während des Prozesses in Glucose und Sauerstoff umgewandelt.

6 CO₂ + licht + 6 h₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Die Gesamtreaktion ist eine Summe der leichte Reaktionen und das dunkle Reaktionen der Photosynthese:

Lichtreaktionen: 12 H₂O + Licht → O₂ + 24 h⁺ + 24e⁻

Dunkle Reaktionen: 6CO₂ + 24 h⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 h₂O

Kurz gesagt, die Lichtreaktionen nutzen das Sonnenlicht, um Elektronen aufzuspüren, die die Pflanze dann zur Herstellung von Nahrungsmitteln (Glukose) leitet. Wie dies in der Praxis geschieht, wurde gut untersucht und ist ein Beweis für Milliarden von Jahren biologischer Evolution.

Photosynthese vs. Zellatmung

Ein weit verbreitetes Missverständnis unter Menschen, die sich mit Biowissenschaften befassen, ist, dass die Photosynthese einfach eine umgekehrte Zellatmung ist. Dies ist verständlich, da die Nettoreaktion der Photosynthese genauso aussieht wie die Zellatmung - beginnend mit der Glykolyse und endend mit den aeroben Prozessen (Krebszyklus und Elektronentransportkette) in den Mitochondrien - genau umgekehrt abläuft.

Die Reaktionen, die bei der Photosynthese Kohlendioxid in Glucose umwandeln, unterscheiden sich jedoch erheblich von den Reaktionen, mit denen Glucose bei der Zellatmung wieder zu Kohlendioxid reduziert wird. Pflanzen, denken Sie daran, nutzen auch die Zellatmung. Chloroplasten sind nicht "die Mitochondrien der Pflanzen"; Pflanzen haben auch Mitochondrien.

Stellen Sie sich die Photosynthese als etwas vor, das hauptsächlich deshalb geschieht, weil Pflanzen keinen Mund haben, aber dennoch auf die Verbrennung von Glukose als Nährstoff angewiesen sind, um ihren eigenen Brennstoff herzustellen. Wenn Pflanzen Glukose nicht aufnehmen können und dennoch eine stetige Zufuhr benötigen, müssen sie das scheinbar Unmögliche tun und es selbst herstellen. Wie machen Pflanzen Nahrung? Sie nutzen externes Licht, um winzige Kraftwerke in ihrem Inneren anzutreiben. Ob sie dies können, hängt in hohem Maße davon ab, wie sie tatsächlich strukturiert sind.

Die Struktur der Pflanzen

Strukturen, die im Verhältnis zu ihrer Masse eine große Oberfläche haben, sind gut positioniert, um viel Sonnenlicht einzufangen. Deshalb haben Pflanzen Blätter. Die Tatsache, dass Blätter in der Regel der grünste Teil von Pflanzen sind, ist das Ergebnis der Dichte von Chlorophyll in Blättern, da hier die Photosynthese durchgeführt wird.

Blätter haben Poren in ihren Oberflächen entwickelt, die Stomata (Singular: Stoma) genannt werden. Diese Öffnungen sind die Mittel, mit denen das Blatt den Eintritt und Austritt von CO steuern kann₂, die für die Photosynthese benötigt wird, und O₂, das ein Abfallprodukt des Prozesses ist. (Es ist nicht intuitiv, Sauerstoff als Abfall zu betrachten, aber genau genommen ist es genau das, was es ist.)

Diese Stomata helfen dem Blatt auch, seinen Wassergehalt zu regulieren. Wenn reichlich Wasser vorhanden ist, sind die Blätter steifer und "aufgeblasen", und die Stomata neigen dazu, geschlossen zu bleiben. Wenn dagegen das Wasser knapp ist, öffnen sich die Stomata, um dem Blatt zu helfen, sich selbst zu ernähren.

Struktur der Pflanzenzelle

Pflanzenzellen sind eukaryotische Zellen, dh sie haben sowohl die vier allen Zellen gemeinsamen Strukturen (DNA, Zellmembran, Zytoplasma und Ribosomen) als auch eine Reihe spezialisierter Organellen. Pflanzenzellen weisen jedoch im Gegensatz zu tierischen und anderen eukaryotischen Zellen Zellwände auf, wie Bakterien, die jedoch unter Verwendung verschiedener Chemikalien konstruiert wurden.

Pflanzenzellen haben auch Kerne und ihre Organellen umfassen die Mitochondrien, das endoplasmatische Retikulum, Golgi-Körper, ein Zytoskelett und Vakuolen. Der entscheidende Unterschied zwischen Pflanzenzellen und anderen eukaryotischen Zellen besteht jedoch darin, dass Pflanzenzellen enthalten Chloroplasten.

Der Chloroplast

In Pflanzenzellen befinden sich Organellen, die Chloroplasten genannt werden. Wie bei den Mitochondrien wird angenommen, dass diese relativ früh in der Entwicklung der Eukaryoten in eukaryotische Organismen eingebaut wurden, wobei die Entität dazu bestimmt ist, ein Chloroplast zu werden, der dann als freistehender, die Photosynthese durchführender Prokaryot existiert.

Der Chloroplast ist wie alle Organellen von einer Doppelplasmamembran umgeben. In dieser Membran befindet sich das Stroma, das wie das Zytoplasma von Chloroplasten funktioniert. Auch innerhalb der Chloroplasten befinden sich Körper, die als Thylakoid bezeichnet werden, die wie Stapel von Münzen angeordnet und von einer eigenen Membran umgeben sind.

Chlorophyll wird als "das" Pigment der Photosynthese angesehen, es gibt jedoch verschiedene Arten von Chlorophyll, und andere Pigmente als Chlorophyll sind ebenfalls an der Photosynthese beteiligt. Das Hauptpigment, das bei der Photosynthese verwendet wird, ist Chlorophyll A. Einige Nicht-Chlorophyllpigmente, die an Photosyntheseprozessen beteiligt sind, haben eine rote, braune oder blaue Farbe.

Die Lichtreaktionen

Die Lichtreaktionen der Photosynthese verwenden Lichtenergie, um Wasserstoffatome aus Wassermolekülen zu verdrängen, wobei diese Wasserstoffatome, angetrieben durch den Strom von Elektronen, die letztendlich durch einfallendes Licht freigesetzt werden, zur Synthese von NADPH und ATP verwendet werden, die für die nachfolgenden Dunkelreaktionen benötigt werden.

Die Lichtreaktionen finden an der Thylakoidmembran, im Chloroplasten, in der Pflanzenzelle statt. Sie beginnen, wenn Licht auf einen Protein-Chlorophyll-Komplex mit dem Namen trifft Photosystem II (PSII). Dieses Enzym setzt die Wasserstoffatome aus Wassermolekülen frei. Der Sauerstoff im Wasser ist dann frei und die dabei freigesetzten Elektronen werden an ein Molekül namens Plastochinol gebunden und in Plastochinon umgewandelt. Dieses Molekül wiederum überträgt die Elektronen in einen Enzymkomplex namens Cytochrom b6f. Diese Ctyb6f nimmt die Elektronen von Plastochinon und bewegt sie zu Plastocyanin.

An diesem Punkt, Photosystem I (PSI) macht sich an die Arbeit. Dieses Enzym nimmt die Elektronen von Plastocyanin auf und bindet sie an eine eisenhaltige Verbindung namens Ferredoxin. Schließlich ein Enzym namens Ferredoxin-NADP⁺Reduktase (FNR) zur Herstellung von NADPH aus NADP⁺. Sie müssen sich nicht alle diese Verbindungen merken, aber es ist wichtig, ein Gespür für die Kaskadierung und Weitergabe der beteiligten Reaktionen zu haben.

Wenn PSII Wasserstoff aus Wasser freisetzt, um die obigen Reaktionen zu unterstützen, tendiert ein Teil dieses Wasserstoffs dazu, das Thylakoid für das Stroma in seinem Konzentrationsgradienten zu belassen. Die Thylakoidmembran nutzt diesen natürlichen Abfluss, indem sie eine ATP-Synthase-Pumpe in der Membran antreibt, die Phosphatmoleküle an ADP (Adenosindiphosphat) bindet, um ATP herzustellen.

Die dunklen Reaktionen

Die dunklen Reaktionen der Photosynthese werden so genannt, weil sie nicht auf Licht beruhen. Sie können jedoch auftreten, wenn Licht vorhanden ist. Ein genauerer, wenn auch umständlicherer Name lautet "lichtunabhängige Reaktionen"Zur weiteren Klärung werden die dunklen Reaktionen zusammen auch als Calvin-Zyklus.

Stellen Sie sich vor, wenn Sie Luft in Ihre Lunge einatmen, könnte das darin enthaltene Kohlendioxid in Ihre Zellen gelangen und dort die gleiche Substanz produzieren, die sich aus der Aufspaltung der von Ihnen verzehrten Nahrung durch Ihren Körper ergibt. Aus diesem Grund müssten Sie nie etwas essen. Dies ist im Wesentlichen das Leben einer Pflanze, die das CO verwendet₂ es sammelt aus der Umwelt (die zum größten Teil durch die Stoffwechselprozesse anderer Eukaryoten entsteht) Glukose, die es dann entweder speichert oder für seinen eigenen Bedarf verbrennt.

Sie haben bereits gesehen, dass die Photosynthese damit beginnt, Wasserstoffatome von Wasser zu befreien und die Energie dieser Atome zu nutzen, um etwas NADPH und etwas ATP herzustellen. Der andere Beitrag zur Photosynthese, CO2, wurde bisher jedoch nicht erwähnt. Jetzt werden Sie sehen, warum all das NADPH und ATP überhaupt geerntet wurde.

Betreten Sie Rubisco

Im ersten Schritt der Dunkelreaktion wird CO2 an ein Fünf-Kohlenstoff-Zucker-Derivat namens Ribulose 1,5-Bisphosphat gebunden. Diese Reaktion wird durch das Enzym Ribulose-1,5-Bisphosphat-Carboxylase / Oxygenase katalysiert, das viel besser bekannt ist als Rubisco. Es wird angenommen, dass dieses Enzym das am häufigsten vorkommende Protein der Welt ist, da es in allen Pflanzen vorhanden ist, die einer Photosynthese unterzogen werden.

Dieses 6-Kohlenstoff-Intermediat ist instabil und spaltet sich in ein Paar von 3-Kohlenstoff-Molekülen auf, das Phosphoglycerat genannt wird. Diese werden dann durch ein Kinaseenzym phosphoryliert, um 1,3-Bisphosphoglycerat zu bilden. Dieses Molekül wird dann in Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P) umgewandelt, wodurch Phosphatmoleküle freigesetzt und NAPDH verbraucht werden, das aus den Lichtreaktionen stammt.

Das bei diesen Reaktionen entstehende G3P kann dann in eine Reihe von verschiedenen Pfaden eingespeist werden, die je nach den spezifischen Bedürfnissen der Pflanzenzellen zur Bildung von Glucose, Aminosäuren oder Lipiden führen. Pflanzen synthetisieren auch Polymere aus Glucose, die in der menschlichen Ernährung Stärke und Ballaststoffe enthalten.