เนื้อหา
- การสังเคราะห์ด้วยแสงคืออะไร?
- สมการสังเคราะห์แสง
- การสังเคราะห์ด้วยแสงกับการหายใจของเซลล์
- โครงสร้างของพืช
- โครงสร้างของเซลล์พืช
- คลอโรพลาสต์
- ปฏิกิริยาเบา ๆ
- ปฏิกิริยามืด
- ป้อน Rubisco
การสังเคราะห์ด้วยแสงสามารถป้องกันได้อย่างชัดเจนว่าเป็นปฏิกิริยาที่สำคัญที่สุดในชีววิทยาทั้งหมด ตรวจสอบใยอาหารหรือระบบการไหลของพลังงานใด ๆ ในโลกและคุณจะพบว่าในที่สุดก็ต้องอาศัยพลังงานจากแสงอาทิตย์สำหรับสารที่ค้ำจุนสิ่งมีชีวิตในนั้น สัตว์พึ่งพาทั้งสารอาหารที่ทำจากคาร์บอน (คาร์โบไฮเดรท) และออกซิเจนที่สังเคราะห์แสงสร้างขึ้นเพราะแม้แต่สัตว์ที่ได้รับสารอาหารทั้งหมดของพวกมันโดยการล่าสัตว์ชนิดอื่น ๆ
จากการสังเคราะห์ด้วยแสงจึงไหลผ่านกระบวนการแลกเปลี่ยนพลังงานอื่น ๆ ที่พบในธรรมชาติ เช่นเดียวกับ glycolysis และปฏิกิริยาของการหายใจของเซลล์การสังเคราะห์ด้วยแสงมีขั้นตอนเอนไซม์และลักษณะเฉพาะที่ต้องพิจารณาและเข้าใจบทบาทที่ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เฉพาะเจาะจงของการสังเคราะห์ด้วยแสงมีความสำคัญต่อการแปลงแสงและก๊าซเป็นอาหาร ชีวเคมีขั้นพื้นฐาน
การสังเคราะห์ด้วยแสงคืออะไร?
การสังเคราะห์ด้วยแสงมีส่วนเกี่ยวข้องกับการผลิตสิ่งสุดท้ายที่คุณกินไม่ว่าจะเป็นอะไรก็ตาม หากเป็นแบบอิงตามโรงงาน ถ้าเป็นแฮมเบอร์เกอร์เนื้อสัตว์ก็มาจากสัตว์ที่ทำให้พืชลดลงเกือบทั้งหมด เมื่อดวงอาทิตย์ต้องปิดตัวลงในวันนี้โดยไม่ทำให้โลกเย็นลงซึ่งจะนำไปสู่การทำให้พืชหายากอุปทานอาหารของโลกจะหายไปในไม่ช้า พืชซึ่งเห็นได้ชัดว่าไม่ใช่นักล่าอยู่ที่ด้านล่างสุดของห่วงโซ่อาหารใด ๆ
การสังเคราะห์ด้วยแสงแบ่งออกเป็นประเพณีแสงปฏิกิริยาและปฏิกิริยามืด ปฏิกิริยาทั้งสองในการสังเคราะห์ด้วยแสงมีบทบาทสำคัญ อดีตพึ่งพาการปรากฏตัวของแสงแดดหรือพลังงานแสงอื่น ๆ ในขณะที่หลังไม่ได้ แต่ขึ้นอยู่กับผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาแสงที่จะมีสารตั้งต้นในการทำงานกับ ในปฏิกิริยาแสงโมเลกุลของพลังงานที่พืชต้องการในการประกอบคาร์โบไฮเดรตนั้นทำขึ้นในขณะที่การสังเคราะห์คาร์โบไฮเดรตเองก็เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาที่มืด สิ่งนี้คล้ายกันในบางวิธีกับการหายใจแบบใช้ออกซิเจนที่วงจร Krebs แม้ว่าจะไม่ใช่แหล่งโดยตรงที่สำคัญของ ATP (adenosine triphosphate, "สกุลเงินพลังงาน" ของทุกเซลล์) สร้างโมเลกุลระดับกลางจำนวนมากที่ผลักดันการสร้าง ATP จำนวนมากในปฏิกิริยาลูกโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนที่ตามมา
องค์ประกอบที่สำคัญในพืชที่ช่วยให้พวกเขาสามารถทำการสังเคราะห์ด้วยแสงคือ คลอโรฟีลล์สารที่พบในโครงสร้างพิเศษที่เรียกว่า คลอโรพลา.
สมการสังเคราะห์แสง
ปฏิกิริยาสุทธิของการสังเคราะห์ด้วยแสงนั้นง่ายมาก มันระบุว่า คาร์บอนไดออกไซด์และน้ำในที่ที่มีพลังงานแสงจะถูกเปลี่ยนเป็นกลูโคสและออกซิเจนในระหว่างกระบวนการ.
6 CO2 + แสง + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
ปฏิกิริยาโดยรวมคือผลรวมของ ปฏิกิริยาแสง และ ปฏิกิริยามืด จากการสังเคราะห์ด้วยแสง:
ปฏิกิริยาแสง: 12 ชม2O + light → O2 + 24 ชม+ + 24e−
ปฏิกิริยามืด: 6CO2 + 24 ชม+ + 24 e− →ค6H12O6 + 6 ชม2O
กล่าวโดยย่อปฏิกิริยาของแสงนั้นใช้แสงอาทิตย์ในการทำให้อิเล็กตรอนกลัวว่าพืชจะสร้างอาหาร (กลูโคส) สิ่งที่เกิดขึ้นในทางปฏิบัติได้รับการศึกษาอย่างดีและเป็นเครื่องพิสูจน์ถึงวิวัฒนาการทางชีววิทยาหลายพันล้านปี
การสังเคราะห์ด้วยแสงกับการหายใจของเซลล์
ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยในหมู่คนที่ศึกษาศาสตร์แห่งชีวิตคือการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นเพียงการหายใจของเซลล์ในสิ่งที่ตรงกันข้าม สิ่งนี้เป็นที่เข้าใจได้เนื่องจากปฏิกิริยาของการสังเคราะห์ด้วยแสงดูเหมือนการหายใจของเซลล์เริ่มต้นด้วย glycolysis และลงท้ายด้วยกระบวนการแอโรบิก (วงจร Krebs และห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน) ในไมโตคอนเดรีย
ปฏิกิริยาที่เปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ไปเป็นกลูโคสในการสังเคราะห์ด้วยแสงนั้นแตกต่างกันมากไปกว่าปฏิกิริยาที่ใช้ในการลดระดับกลูโคสกลับเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ในการหายใจของเซลล์ พืชโปรดทราบว่ายังใช้ประโยชน์จากการหายใจของเซลล์ Chloroplasts ไม่ได้เป็น "ไมโตคอนเดรียของพืช"; พืชมีไมโตคอนเดรียด้วย
คิดว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นส่วนใหญ่เป็นเพราะพืชไม่มีปาก แต่ยังต้องพึ่งพาการเผาผลาญกลูโคสเป็นสารอาหารเพื่อผลิตเชื้อเพลิงของตัวเอง หากพืชไม่สามารถนำกลูโคสเข้ามาได้ แต่ก็ยังต้องการปริมาณคงที่จากนั้นก็ต้องทำสิ่งที่เป็นไปไม่ได้และทำให้มันเป็นของตัวเอง พืชทำอาหารได้อย่างไร พวกเขาใช้แสงภายนอกเพื่อขับเคลื่อนโรงไฟฟ้ การที่พวกเขาสามารถทำได้ขึ้นอยู่กับว่าพวกเขามีโครงสร้างอย่างไร
โครงสร้างของพืช
โครงสร้างที่มีพื้นที่ผิวจำนวนมากที่เกี่ยวข้องกับมวลของพวกเขาอยู่ในตำแหน่งที่ดีในการจับแสงอาทิตย์ที่ผ่านมา นี่คือเหตุผลที่พืชมีใบ ความจริงที่ว่าใบมีแนวโน้มที่จะเป็นส่วนที่เขียวที่สุดของพืชเป็นผลมาจากความหนาแน่นของคลอโรฟิลล์ในใบเช่นนี้เป็นที่ที่การทำงานของการสังเคราะห์ด้วยแสงจะทำ
ใบมีการพัฒนารูขุมขนในพื้นผิวของพวกเขาที่เรียกว่าปากใบ (เอกพจน์: ปาก) ช่องรับแสงเหล่านี้เป็นวิธีที่ใบไม้สามารถควบคุมการเข้าและออกของ CO2ซึ่งจำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงและ O2ซึ่งเป็นของเสียจากกระบวนการ (มันเป็นเรื่องง่ายที่จะคิดว่าออกซิเจนเป็นของเสีย แต่ในการตั้งค่านี้พูดอย่างเคร่งครัดนั่นคือสิ่งที่มันเป็น)
ปากใบเหล่านี้ยังช่วยให้ใบควบคุมปริมาณน้ำ เมื่อน้ำอุดมสมบูรณ์ใบไม้จะแข็งและ "พอง" มากขึ้นและปากใบมีแนวโน้มที่จะปิด ในทางกลับกันเมื่อน้ำหายากปากใบเปิดในความพยายามที่จะช่วยให้ใบบำรุงตัวเอง
โครงสร้างของเซลล์พืช
เซลล์พืชคือเซลล์ยูคาริโอตซึ่งหมายความว่าพวกมันมีโครงสร้างทั้งสี่ที่เหมือนกันกับทุกเซลล์ (DNA, เยื่อหุ้มเซลล์, ไซโตพลาสซึมและไรโบโซม) และออร์แกเนลล์จำนวนหนึ่ง เซลล์พืชแตกต่างจากสัตว์และเซลล์ยูคาริโอตอื่น ๆ ที่มีผนังเซลล์เหมือนแบคทีเรีย แต่สร้างขึ้นโดยใช้สารเคมีที่แตกต่างกัน
เซลล์พืชยังมีนิวเคลียสและออร์แกเนลล์ของพวกมันรวมถึงไมโตคอนเดรีย, เอ็นโดพลาสมิก reticulum, Golgi ศพ, โครงร่างโครงกระดูกและเซลล์แวคิวโอล แต่ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเซลล์พืชและเซลล์ยูคาริโอตอื่น ๆ ก็คือเซลล์ของพืชมี คลอโรพลา.
คลอโรพลาสต์
ภายในเซลล์พืชมีออร์แกเนลล์เรียกว่าคลอโรพลาสต์ เช่นเดียวกับไมโตคอนเดรียเชื่อว่าสิ่งเหล่านี้ถูกรวมเข้ากับสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตค่อนข้างเร็วในวิวัฒนาการของยูคาริโอตโดยเอนทิตีที่ถูกกำหนดให้กลายเป็นคลอโรพลาสต์นั้นมีอยู่ในฐานะ
คลอโรพลาสต์เช่นเดียวกับออร์แกเนลล์ทั้งหมดถูกล้อมรอบด้วยเมมเบรนพลาสมาสองชั้น ภายในเมมเบรนนี้คือสโตรมาซึ่งทำหน้าที่คล้ายกับไซโตพลาสซึมของคลอโรพลาสต์ นอกจากนี้ภายในคลอโรพลาสต์ยังมีร่างกายที่เรียกว่าไทลาคอยด์ซึ่งถูกจัดเรียงเหมือนกองเหรียญและล้อมรอบด้วยเยื่อหุ้มของพวกเขาเอง
คลอโรฟิลล์ถือเป็นเม็ดสีของการสังเคราะห์ด้วยแสง แต่มีคลอโรฟิลล์หลายประเภทและมีเม็ดสีอื่นที่ไม่ใช่คลอโรฟิลล์มีส่วนร่วมในการสังเคราะห์ด้วยเช่นกัน เม็ดสีที่สำคัญที่ใช้ในการสังเคราะห์ด้วยแสงคือคลอโรฟิลล์เอเม็ดสีที่ไม่ใช่คลอโรฟิลล์บางส่วนที่มีส่วนร่วมในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงคือสีแดงน้ำตาลหรือสีน้ำเงิน
ปฏิกิริยาเบา ๆ
ปฏิกิริยาแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสงใช้พลังงานแสงเพื่อแทนที่อะตอมไฮโดรเจนจากโมเลกุลน้ำด้วยอะตอมไฮโดรเจนเหล่านี้ซึ่งขับเคลื่อนโดยการไหลของอิเล็กตรอนในที่สุดก็ปลดปล่อยด้วยแสงที่เข้ามาในที่สุดเพื่อใช้ในการสังเคราะห์ NADPH และ ATP ซึ่งจำเป็นสำหรับปฏิกิริยามืด
ปฏิกิริยาแสงที่เกิดขึ้นบนเยื่อ thylakoid ภายในคลอโรพลาสต์ภายในเซลล์พืช พวกมันกำลังเตรียมการเมื่อแสงกระทบกับสารประกอบโปรตีนคลอโรฟิลล์ที่เรียกว่า photosystem II (PSII). เอนไซม์นี้เป็นสิ่งที่ปลดปล่อยไฮโดรเจนอะตอมจากโมเลกุลของน้ำ ออกซิเจนในน้ำจะว่างและอิเล็กตรอนอิสระในกระบวนการจะถูกแนบกับโมเลกุลที่เรียกว่า plastoquinol เปลี่ยนเป็น plastoquinone โมเลกุลนี้จะย้ายอิเล็กตรอนไปยังเอนไซม์ที่ซับซ้อนที่เรียกว่า cytochrome b6f ctyb6f นี้ใช้อิเล็กตรอนจาก plastoquinone และย้ายไปยัง plastocyanin
ณ จุดนี้, photosystem I (PSI) รับงาน เอนไซม์นี้ใช้อิเล็กตรอนจาก plastocyanin และยึดติดกับสารประกอบที่มีธาตุเหล็กที่เรียกว่า ferredoxin ในที่สุดเอนไซม์ที่เรียกว่า ferredoxin – NADP+reductase (FNR) เพื่อสร้าง NADPH จาก NADP+. คุณไม่จำเป็นต้องจดจำสารประกอบเหล่านี้ทั้งหมด แต่มันเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องมีความรู้สึกของธรรมชาติที่เกี่ยวข้องกับการเกิดปฏิกิริยา
นอกจากนี้เมื่อ PSII ปลดปล่อยไฮโดรเจนจากน้ำไปสู่ปฏิกิริยาข้างต้นไฮโดรเจนบางชนิดนั้นต้องการที่จะปล่อย thylakoid สำหรับสโตรมาลดระดับความเข้มข้นลง เมมเบรน thylakoid ใช้ประโยชน์จากการไหลออกตามธรรมชาตินี้โดยใช้มันเพื่อให้พลังงานแก่ปั๊ม ATP synthase ในเยื่อหุ้มเซลล์ซึ่งติดโมเลกุลฟอสเฟตกับ ADP (adenosine diphosphate) เพื่อสร้าง ATP
ปฏิกิริยามืด
ปฏิกิริยาความมืดของการสังเคราะห์ด้วยแสงมีชื่อเช่นนี้เพราะพวกเขาไม่พึ่งพาแสง อย่างไรก็ตามมันสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อแสงมีความแม่นยำมากขึ้นหากมีความยุ่งยากมากขึ้นชื่อคือ "ปฏิกิริยาที่ไม่ขึ้นกับแสงเพื่อล้างสิ่งต่าง ๆ ให้ไกลออกไปปฏิกิริยาอันมืดมิดรวมกันก็เป็นที่รู้จักกันในนาม วงจรคาลวิน.
ลองจินตนาการว่าเมื่อสูดดมอากาศเข้าไปในปอดของคุณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศสามารถเข้าสู่เซลล์ของคุณซึ่งจะใช้มันเพื่อสร้างสารชนิดเดียวกันซึ่งเป็นผลมาจากร่างกายของคุณทำลายอาหารที่คุณกินเข้าไป อันที่จริงแล้วด้วยเหตุนี้คุณจึงไม่ต้องกินเลย นี่คือชีวิตของพืชซึ่งใช้ CO2 มันรวบรวมมาจากสิ่งแวดล้อม (ซึ่งส่วนใหญ่เป็นผลมาจากกระบวนการเมตาบอลิซึมของยูคาริโอตอื่น ๆ ) เพื่อสร้างกลูโคสซึ่งจะเก็บหรือเผาเพื่อความต้องการของตัวเอง
คุณได้เห็นแล้วว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงเริ่มต้นโดยการเคาะอะตอมไฮโดรเจนให้เป็นอิสระจากน้ำและใช้พลังงานจากอะตอมเหล่านั้นเพื่อทำให้ NADPH และ ATP บางส่วน แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่มีการพูดถึงอินพุตอื่นในการสังเคราะห์ด้วยแสง CO2 ตอนนี้คุณจะเห็นว่าทำไมการเก็บเกี่ยว NADPH และ ATP ทั้งหมดจึงเกิดขึ้นตั้งแต่แรก
ป้อน Rubisco
ในขั้นตอนแรกของปฏิกิริยาที่มืด CO2 จะถูกแนบไปกับอนุพันธ์น้ำตาลคาร์บอนห้าแบบที่เรียกว่า ribulose 1,5-bisphosphate ปฏิกิริยานี้ถูกเร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase / oxygenase ซึ่งเป็นที่รู้จักกันมากในชื่อ Rubisco. เอนไซม์นี้เชื่อว่าเป็นโปรตีนที่มีมากที่สุดในโลกเนื่องจากมันมีอยู่ในพืชทุกชนิดที่ได้รับการสังเคราะห์ด้วยแสง
ตัวกลางหกคาร์บอนนี้ไม่เสถียรและแยกออกเป็นโมเลกุลคาร์บอนสามคู่ที่เรียกว่า phosphoglycerate phosphorylated โดยเอนไซม์ไคเนสในรูปแบบ 1,3-bisphosphoglycerate จากนั้นโมเลกุลนี้จะถูกเปลี่ยนเป็น glyceraldehyde-3-phosphate (G3P) ปลดปล่อยโมเลกุลฟอสเฟตและการบริโภค NAPDH ที่ได้จากปฏิกิริยาของแสง
G3P ที่สร้างขึ้นในปฏิกิริยาเหล่านี้สามารถใส่เส้นทางที่แตกต่างกันจำนวนมากส่งผลให้เกิดการสร้างกลูโคสกรดอะมิโนหรือไขมันขึ้นอยู่กับความต้องการเฉพาะของเซลล์พืช พืชยังสังเคราะห์พอลิเมอร์ของกลูโคสซึ่งในอาหารของมนุษย์มีส่วนช่วยให้แป้งและไฟเบอร์