Attività enzimatica in fotosintesi

Contenuto

• Che cos'è la fotosintesi?
• Equazione di fotosintesi
• Fotosintesi vs. respirazione cellulare
• La struttura delle piante
• Struttura della cellula vegetale
• Il cloroplasto
• Le reazioni alla luce
• Le reazioni oscure
• Inserisci Rubisco

La fotosintesi può essere difensibilmente etichettata come la reazione più importante in tutta la biologia. Esamina qualsiasi rete alimentare o sistema di flusso di energia nel mondo e scoprirai che alla fine si basa sull'energia del sole per le sostanze che sostengono gli organismi al suo interno. Gli animali fanno affidamento sia sui nutrienti a base di carbonio (carboidrati) sia sull'ossigeno generato dalla fotosintesi, perché anche gli animali che ottengono tutto il loro nutrimento predando altri animali finiscono per mangiare organismi che vivono a loro volta principalmente o esclusivamente sulle piante.

Dalla fotosintesi deriva così tutti gli altri processi di scambio di energia osservati in natura. Come la glicolisi e le reazioni della respirazione cellulare, la fotosintesi ha una serie di passaggi, enzimi e aspetti unici da considerare, e comprendere i ruoli che i catalizzatori specifici della fotosintesi svolgono in ciò che equivale alla conversione della luce e del gas in cibo è fondamentale per la padronanza biochimica di base.

Che cos'è la fotosintesi?

La fotosintesi ha qualcosa a che fare con la produzione dell'ultima cosa che hai mangiato, qualunque cosa fosse. Se era di origine vegetale, l'affermazione è semplice. Se si trattava di un hamburger, la carne veniva quasi certamente da un animale che sopravviveva quasi interamente alle piante. Considerato in modo un po 'diverso, se il sole si spegnesse oggi senza causare il raffreddamento del mondo, il che porterebbe a rendere scarse le piante, l'approvvigionamento di cibo nel mondo svanirebbe presto; le piante, che chiaramente non sono predatori, sono in fondo a qualsiasi catena alimentare.

La fotosintesi è tradizionalmente suddivisa in reazioni luminose e reazioni oscure. Entrambe le reazioni nella fotosintesi svolgono ruoli critici; i primi si basano sulla presenza della luce solare o di altra energia luminosa, mentre i secondi non dipendono dai prodotti della reazione alla luce per avere un substrato su cui lavorare. Nelle reazioni luminose, vengono prodotte le molecole di energia di cui la pianta ha bisogno per assemblare i carboidrati, mentre la stessa sintesi di carboidrati si verifica nelle reazioni oscure. Questo è simile in qualche modo alla respirazione aerobica, in cui il ciclo di Krebs, sebbene non sia una delle principali fonti dirette di ATP (adenosina trifosfato, la "valuta energetica" di tutte le cellule), genera una grande quantità di molecole intermedie che guidano la creazione di un una grande quantità di ATP nelle successive reazioni a catena del trasporto di elettroni.

L'elemento critico nelle piante che consente loro di condurre la fotosintesi è clorofilla, una sostanza che si trova in strutture uniche chiamate cloroplasti.

Equazione di fotosintesi

La reazione netta della fotosintesi è in realtà molto semplice. Lo afferma l'anidride carbonica e l'acqua, in presenza di energia luminosa, vengono convertite in glucosio e ossigeno durante il processo.

6 CO₂ + luce + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

La reazione complessiva è una somma di reazioni luminose e il reazioni oscure di fotosintesi:

Reazioni luminose: 12 ore₂O + luce → O₂ + 24 H⁺ + 24e⁻

Reazioni oscure: 6CO₂ + 24 H⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

In breve, le reazioni alla luce usano la luce del sole per spaventare gli elettroni che la pianta quindi incanala per produrre cibo (glucosio). Come ciò avvenga in pratica è stato ben studiato ed è una testimonianza di miliardi di anni di evoluzione biologica.

Fotosintesi vs. respirazione cellulare

Un malinteso comune tra le persone che studiano le scienze della vita è che la fotosintesi è semplicemente la respirazione cellulare al contrario. Questo è comprensibile, dato che la reazione netta della fotosintesi sembra proprio la respirazione cellulare - a partire dalla glicolisi e termina con i processi aerobici (ciclo di Krebs e catena di trasporto degli elettroni) nei mitocondri - corre esattamente al contrario.

Le reazioni che trasformano l'anidride carbonica in glucosio nella fotosintesi sono tuttavia molto diverse da quelle utilizzate per ridurre il glucosio in anidride carbonica nella respirazione cellulare. Le piante, tenere a mente, fanno anche uso della respirazione cellulare. I cloroplasti non sono "i mitocondri delle piante"; anche le piante hanno mitocondri.

Pensa alla fotosintesi come a qualcosa che accade principalmente perché le piante non hanno la bocca, ma fanno ancora affidamento sul bruciare il glucosio come nutriente per produrre il proprio combustibile. Se le piante non riescono ad ingerire glucosio ma ne richiedono ancora una fornitura costante, devono fare ciò che sembra impossibile e farlo da soli. In che modo le piante producono cibo? Usano la luce esterna per guidare minuscole centrali elettriche al loro interno per farlo. Il fatto che possano farlo dipende in larga misura da come sono effettivamente strutturati.

La struttura delle piante

Le strutture che hanno molta superficie in relazione alla loro massa sono ben posizionate per catturare gran parte della luce solare che passa lungo la loro strada. Ecco perché le piante hanno foglie. Il fatto che le foglie tendano ad essere la parte più verde delle piante è il risultato della densità della clorofilla nelle foglie, poiché è qui che viene svolto il lavoro di fotosintesi.

Le foglie hanno sviluppato pori nella loro superficie chiamati stomi (singolare: stoma). Queste aperture sono i mezzi con cui la foglia può controllare l'entrata e l'uscita di CO₂, necessario per la fotosintesi e O₂, che è un prodotto di scarto del processo. (È controintuitivo pensare all'ossigeno come rifiuto, ma in questo contesto, a rigor di termini, questo è quello che è.)

Questi stomi aiutano anche la foglia a regolare il contenuto d'acqua. Quando l'acqua è abbondante, le foglie sono più rigide e "gonfiate" e gli stomi sono inclini a rimanere chiusi. Al contrario, quando l'acqua è scarsa, gli stomi si aprono nel tentativo di aiutare la foglia a nutrirsi.

Struttura della cellula vegetale

Le cellule vegetali sono cellule eucariotiche, il che significa che hanno entrambe le quattro strutture comuni a tutte le cellule (DNA, una membrana cellulare, citoplasma e ribosomi) e un numero di organelli specializzati. Le cellule vegetali, tuttavia, a differenza delle cellule animali e di altre cellule eucariotiche, hanno pareti cellulari, come fanno i batteri ma costruite con sostanze chimiche diverse.

Le cellule vegetali hanno anche nuclei e i loro organelli includono i mitocondri, il reticolo endoplasmatico, i corpi del Golgi, un citoscheletro e i vacuoli. Ma la differenza fondamentale tra cellule vegetali e altre cellule eucariotiche è che le cellule vegetali contengono cloroplasti.

Il cloroplasto

All'interno delle cellule vegetali sono organelli chiamati cloroplasti. Come i mitocondri, si ritiene che questi siano stati incorporati negli organismi eucariotici relativamente presto nell'evoluzione degli eucarioti, con l'entità destinata a diventare un cloroplasto e quindi esistente come procariota che esegue la fotosintesi indipendente.

Il cloroplasto, come tutti gli organelli, è circondato da una doppia membrana plasmatica. All'interno di questa membrana si trova lo stroma, che funziona in qualche modo come il citoplasma dei cloroplasti. Anche all'interno dei cloroplasti ci sono corpi chiamati tilacoidi, che sono disposti come pile di monete e chiusi da una membrana propria.

La clorofilla è considerata "il" pigmento della fotosintesi, ma ci sono diversi tipi di clorofilla e anche i pigmenti diversi dalla clorofilla partecipano alla fotosintesi. Il pigmento principale usato nella fotosintesi è la clorofilla A. Alcuni pigmenti non clorofillici che prendono parte ai processi fotosintetici sono di colore rosso, marrone o blu.

Le reazioni alla luce

Le reazioni luminose della fotosintesi usano l'energia della luce per spostare gli atomi di idrogeno dalle molecole di acqua, con questi atomi di idrogeno, alimentati dal flusso di elettroni alla fine liberati dalla luce in arrivo, usati per sintetizzare NADPH e ATP, che sono necessari per le successive reazioni al buio.

Le reazioni luminose si verificano sulla membrana tilosoidea, all'interno del cloroplasto, all'interno della cellula vegetale. Si mettono in moto quando la luce colpisce un complesso chiamato proteina-clorofilla photosystem II (PSII). Questo enzima è ciò che libera gli atomi di idrogeno dalle molecole d'acqua. L'ossigeno nell'acqua è quindi libero e gli elettroni liberati nel processo sono attaccati a una molecola chiamata plastochinolo, trasformandolo in plastochinone. Questa molecola a sua volta trasferisce gli elettroni in un complesso enzimatico chiamato citocromo b6f. Questo ctyb6f prende gli elettroni dal plastochinone e li sposta nella plastocianina.

A questo punto, fotosistema I (PSI) si mette al lavoro. Questo enzima prende gli elettroni dalla plastocianina e li lega a un composto contenente ferro chiamato ferredossina. Infine, un enzima chiamato ferredossina-NADP⁺reduttasi (FNR) per creare NADPH da NADP⁺. Non è necessario memorizzare tutti questi composti, ma è importante avere un senso della natura a cascata e "consegna" delle reazioni coinvolte.

Inoltre, quando PSII sta liberando idrogeno dall'acqua per alimentare le reazioni di cui sopra, parte di quell'idrogeno tende a voler lasciare il tilacoide per lo stroma, giù per il suo gradiente di concentrazione. La membrana tilosoidea sfrutta questo deflusso naturale utilizzandolo per alimentare una pompa sintasi ATP nella membrana, che attacca le molecole di fosfato all'ADP (adenosina difosfato) per produrre ATP.

Le reazioni oscure

Le reazioni oscure della fotosintesi sono così chiamate perché non si basano sulla luce. Tuttavia, possono verificarsi quando è presente la luce, quindi un nome più preciso, anche se più ingombrante, è "reazioni indipendenti dalla luce"Per chiarire ulteriormente le cose, le reazioni oscure sono anche conosciute come" Ciclo di Calvin.

Immagina che, quando inala aria nei polmoni, l'anidride carbonica presente in quell'aria potrebbe penetrare nelle tue cellule, che poi la userebbe per produrre la stessa sostanza che risulta dal tuo corpo che abbatte il cibo che mangi. In effetti, per questo motivo, non dovresti mai mangiare. Questa è essenzialmente la vita di una pianta, che utilizza il CO₂ raccoglie dall'ambiente (che è in gran parte a causa dei processi metabolici di altri eucarioti) per produrre glucosio, che poi immagazzina o brucia per i propri bisogni.

Hai già visto che la fotosintesi inizia battendo atomi di idrogeno liberi dall'acqua e usando l'energia di quegli atomi per produrre un po 'di NADPH e un po' di ATP. Ma finora non è stato menzionato l'altro input nella fotosintesi, la CO2. Ora capirai perché tutto quel NADPH e ATP sono stati raccolti in primo luogo.

Inserisci Rubisco

Nella prima fase delle reazioni al buio, la CO2 è attaccata a un derivato dello zucchero a cinque atomi di carbonio chiamato ribulosio 1,5-bisfosfato. Questa reazione è catalizzata dall'enzima ribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi / ossigenasi, molto più memorabilmente noto come Rubisco. Si ritiene che questo enzima sia la proteina più abbondante al mondo, dato che è presente in tutte le piante che subiscono la fotosintesi.

Questo intermedio a sei atomi di carbonio è instabile e si divide in una coppia di molecole a tre atomi di carbonio chiamate fosfoglicerato. Questi vengono quindi fosforilati da un enzima chinasi per formare 1,3-bisfosfoglicerato. Questa molecola viene quindi convertita in gliceraldeide-3-fosfato (G3P), liberando molecole di fosfato e consumando NAPDH derivato dalle reazioni luminose.

Il G3P creato in queste reazioni può quindi essere inserito in una serie di percorsi diversi, con conseguente formazione di glucosio, aminoacidi o lipidi, a seconda delle esigenze specifiche delle cellule vegetali. Le piante sintetizzano anche polimeri di glucosio che nella dieta umana contribuiscono con l'amido e le fibre.