Fotosyntéza

Fotosyntéza! Není to žádný vědecký abstraktní pojem. Byli bychom mrtví, nebýt rostlin a jejich kouzelné nevědecké schopnosti přeměnit sluneční světlo, oxid uhličitý a vodu na glukózu a čistý, lahodný kyslík. Toto se děje jedině během fotosyntézy, procesu, který se vyvinul před 450 miliony roky a ve skutečnosti je dost hrozný. Je komplikovaný, neefektivní a matoucí, ale chcete mít lepší a širší ponětí o našem světě, nebo spíše chcete mít lepší výsledky v testech. Tak se na to vrhneme. (energetická hudba) Fotosyntézu tvoří dvě fáze, světelná fáze a temnostní fáze a vám už je patrný jasný rozdíl mezi těmi dvěmi, tak to je hezké. Temnostní fází nazýváme Calvinův cyklus. Ne, ne ne, ne, ne. ano! Tohoto Calvina. Fotosyntéza je vlastně dýchání pozpátku a dýchání jsme již probrali. Takže buď můžete shlédnout předchozí video pozpátku, nebo můžete dokoukat toto. Každopádně už jsem zmínil, co je třeba, aby fotosyntéza proběhla: vodu, oxid uhličitý a sluněční světlo. A jak je vlastně rostlina získá? Nejprve voda. Předpokládejme, že mluvíme o cévnaté rostlině, takové, jejíž trubkovité tkáně vedou vodu, minerály a jiné látky do různých částí rostliny. Jsou to třeba stromy, traviny a květiny. Rostliny vstřebávají vodu pomocí kořenů a vedou ji do listů pletivem zvaným xylém. Oxid uhličitý se dostane dovnitř a kyslík ven malými otvory v listu, které nazýváme stomata. Překvapivě je důležité, aby rostliny udržovaly nízkou hladinu kyslíku v listech, a důvody si vysvětlíme později. A nakonec jednotlivé fotony ze Slunce jsou v rostlině absorbovány pigmentem zvaným chlorofyl. Vzpomínáte si na rostlinné buňky? Pokud ne, můžete se podívat na video, kde jsme si povídali o rostlinných buňkách. Jedna věc, kterou rostlinná buňka má na rozdíl od buňky živočišné, jsou plastidy a jaký je nejdůležitější plastid? Chloroplast, který není jen velký váček chlorofylu, ačkoliv tak bývá občas znázorněn. Má komplikovanou vnitřní strukturu. Chlorofyl je ukryt v membránových váčcích zvaných tylakoidy a tylakoidy jsou naskládány v grana. Uvnitř tylakoidů je lumen a na vnější straně tylakoidů, ale stále uvnitř chloroplastů, je stroma. Membrána tylakoidů je fosfolipidová dvojvrstva, která, pokud si pamatujete, velmi dobře udržuje koncentrační gradienty iontů, proteinů a dalších látek. To znamená udržování větší koncentrace na jedné straně než na druhé straně membrány. Tohle budete potřebovat vědět. Omlouvám se. Když máme za sebou malou prohlídku chloroplastů, podíváme se na vlastní chemii. První, co se děje. Foton vytvořený při termojaderné fúzi v jádru Slunce, jde zrovna ukončit svou 150 milionů kilometrů dlouhou cestu nárazem do molekuly chlorofylu. Toto začne fázi jedna, světelné reakce dokazující, že ano skoro, celý život na naší planetě je poháněn syntézami Když je chlorofyl udeřen fotonem, elektron absorbuje tu energii a je excitovaný. To je pojem pro to, když elektron získá energii a nemá kam ji uložit. A když to udělá foton, je to fotoexcitace. Ale zkusme si přestavit, jen na moment, že každý foton je pohledný mladý muž. Dvanáctileté dívky jsou jím posedlé a elektrony jsou dvanáctileté dívky, Tím trikem, celkovým trikem fotosyntézy je přeměna energie, těch 12-letých, teda elektronů, na něco, co je rostlina schopna použít. Budeme o tomto mluvit doslova celý zbytek videa. Doufám, že vám to nevadí. Tak zaprvé, chlorofyl tu není sám. Je součástí neuvěřitelně složitých komplexů proteinů a lipidů a jiných molekul, pojmenovaných fotosystém II, který obsahuje skoro 99 různých chemikálií, Včetně přes 30 jednotlivých chlorofylových molekul. Toto je první ze 4 proteinových komplexů, které rostliny potřebují pro světelné reakce. A jestli si myslíte, že to je složité, že říkáme 1. komplexnímu fotosytému 2 místo "fotosystém 1" tak mu můžete říkat, jeho celým názvem, plastochinonová oxoreduktáza. No né, nechcete jej takto nazývat? Tak teda fotosystém II. Anebo, zkráceně, FS II. FS II a všechny proteinové komplexy v světelných reakcí, obklopují membrány thylakoidů a chloroplastů. Teď, excitovaný elektron odejde na cestu vytvořenou tak, aby byla spotřebována celá jeho energie a přeměna na užitečné věci. Tomuto se říká elektronový transportní řetězec, ve kterém excitované elektrony ztratí svou energii v sérii reakcí, které zachytí energy, potřebnou na udržení života. Takže chlorofyl z FS II je teď tak natěšený, že když specifický protein, specializovaný aby elektrony kradl, se objeví, ten elektron seskočí z chlorofylní molekuly, na ten protein, kterému se říká mobilní přenašeč elektronů, protože to je mobilní přenašeč elektronů. Chlorofyl se následně lekne, jako matka které byla její dvanáctiletá dcera unesena jakýmsi idolem všech dívek a říká si: Co teď udělám abych tento problém vyřešila? A poté, pomocí celého FS II udělá něco neuvěřitelné a důležité, že tomu nemohu uvěřit, že se to děje každý den, rozdělí ultra stabilní molekulu vody, ukradne jeden z jejich elektronů aby nahradila svůj ztracený. Vedlejší produkty rozdělení vody, vodíkové ionty, jsou pouze jednotlivé protony a kyslík, Sladký, slaďoučký kyslík. Tato reakce, přátelé, je proč jsme schopni dýchat. Malá odbočka. Až vám někdo znovu řekne, že nemá rád, když jsou chemikálie v jejich jídle připomeňte mu prosím, že všechen život, je z chemikálií různého druhu a ať přestane předstírat, že slovo chemikálie je nějak synonymum pro karcinogenní látku. Protože, představte si, jak se cítí, chlorofyl, když toto říkáte. dává celý svůj čas a energii na vytvoření dýchatelného vzduchu a my říkáme: "Fuuuj, chemikálie jsou tak nechutný." Takže, pamatujte si, energií nabité elektrony z FS II jsou vyzvednuty elektronovými přenašeči a jsou transportovány na druhý proteinový komplex, komplex cytochromů. Tento človíček dělá dvě věci. Za prvé, slouží jako spojka mezi FS II a FS I a za druhé, využívá trochu energie z elektronu aby načerpal další proton na tylakoidy. Poté se tylakoidy začnou plnit protony. Vytvořili jsme trochu skrz rozdělení vody a posunuly jsme další z komplexu cytochromů Ale proč toto děláme? No, jednoduše, nabíjíme thylakoid jako baterii. Skrz čerpaní protonů na thylakoid, vytváříme koncentrační gradient. Protony se přirozeně chtějí od sebe dostat a proto si prostrčí cestu skrz enzym, obklopující membránu thylakoidů nazvanou ATP syntáze, a ten enzym využije tu energii, aby zabalil anorganický fosfát do ADP, vytvářející ATP, velkého otce buněčné energie. Všechen tento pohyb podél elektronového dopravního řetězce potřebuje energii a jak jistě očekáváte, elektrony se dostávají do nižších a nižších energetických stavů během našeho povídání. Toto vše dává smysl, když se nad tím zamyslíte. Už je to dlouho co nás fotony udeřily, a my jsme pumpovali vodíkové ionty abychom vytvořili ATP a rozdělovali vodu a skákali na jiné molekuly a já jsem unavený jenom o tom mluvím. Naštěstí, po 450 miliónů let evoluce, získá náš elektron znovu energii při doporučení do FS I. Takže, FS I je podobný mix proteinů a chlorofylových molekul, jako jsme viděli v FS II, ale s trochu jinými produkty. Až pár fotonů znovu excituje pár elektronů, elektrony seskočí a svezou se dalším elektronovým přenašečem. Ale tentokrát se všechna ta energie využije na tvorbu NADPH, která stejně jako ATP, existuje pouze na přenos energie. Zde pomůže další enzym kombinovat dva elektrony a jeden vodíkový iont s něčím malým čemu říkáme NADP+. A jak si můžete pamatovat z našeho posledního videa o respiraci to jsou jakýsi vzdálení bratranci vitamínu B, kteří jsou sakra důležití pro přeměnu energie. Ve fotosyntéze je to NADP+ a když si vezme ty dva elektrony a jeden vodíkový iont, změní se na NADPH. Takže, teď nám po všech těch světelných reakcích zbyla, chemická energie ve formě ATP a NADPH. A ovšem že nesmíme zapomenout na nejužitečnější, ale taky na nic vedlejší produkt v historii zbytečný vedlejších produktů, kyslík. Tak a teď jestli někdo potřebuje na záchod, teď je na to nejlepší čas anebo jestli se chcete znovu kouknout na docela dlouhé a složité světelné reakce, běžte a udělejte to. Není to lehké, a už to lehčí nebude. Protože teď se posouváme na Calvinův cyklus! Calvinovu cyklu se někdy říká temnostní fáze, což je trochu nesprávný název, protože obecně neprobíhá ve tmě. Calvinův cyklus probíhá, spolu se zbytkem reakcí, ve dne, ale nepotřebuje energii z fotonů. Takže je správné říkat reakce nezávislé na světle nebo jestli jste líní, tak tomu říkejte sekundární děje. Sekundární děje využívají energii z ATP a NADPH, které jsme vytvořili ve fázi 1, aby vytvořili něco, co je pro rostlinu vlastně užitečné. Cavinův cyklus začíná ve stromatu, nebo v prázdných místech v chloroplastech, jestli si to pamatujete správně. Tato fáze se nazývá karboxylace protože, ano, dojde k fixaci molekuly oxidu uhličitého Na začátek, ribulóza bisfosfát nebo RuBP, která je vždycky někdo ve chloroplastu, protože nejenom, že je to začátek, Calvinova cyklu, je to také závěřečný bod, to je proč je to cyklus. CO2 je připevněn k RuBP pomocí enzymu ribulóza-1,5-bisfosfát- karboxyláza/oxygenáza, který se zkracuje na enzym RuBisCO. (hudba piana) Jsem zase v této židli, skvěle. Je čas na biolo - grafii RuBisCO. Jedno byl jednobuněčný organismu, a řekl si: "Safra, potřebuje víc uhlíku, abych mohl vytvořit víc sebe." "Abych mohl ovládnout celý svět." Naštěstí, pro tento malý organismus, bylo hodně CO2 v atmosféře, a tak se stalo, že se vyvinul enzym, který je schopen hltat CO2 a přeměnit anorganický uhlík na organický uhlík. Tento enzym se jmenoval RuBisCO a nebyl nějak převratně dobrý ve své práci, ale byl daleko lepší než pouze doufat, že narazíme na nějaký chemicky vytvořený organický uhlík. A tak toho ten organismus vytvořil strašně moc, aby vynahradil jak v tom byl špatný. A nejenom, že ovládl malé rostlinky, ale i celému světu to vyhovovalo. Rychle se z něj stala dominantní forma života. Pomalu, skrz další reakce závislé na světle, rostliny zvýšily obsah kyslíku v atmosféře. RuBisCO, vytvořený ve světě s malým množstvím kyslíku v atmosféře, začal být zmatený. V polovině případů, začalo RuBisCO rozkrajovat ribulózu bisfosfát s kyslíkem a ne s CO2, vytvářející toxický vedlejší produkt, s kterým si rostliny musely kreativně a speciálně poradit. Tento vedlejší produkt se nazývá fosfoglycerát a ovlivňuje enzymatické funkce, které jsou i v Calvinově cyklu. Takže rostliny musí vyrobit další enzymy, aby jej rozložily na aminokyseliny, glycin a další sloučeniny, které jsou použitelné v Calvinově cyklu. Ale rostliny vsadily vše na RuBisCO a do dnes ho musí vyrobit velké množství a vědci odhadují, že v jakýkoliv čas je na planetě asi 40 miliard tun RuBisCO a rostliny se musí vyrovnat s tím toxickým vedlejším produktem. Další příklad, přátelé, hloupého designu. Zpátky k cyklu. Takže, ribulóza bisfosfátu dostane CO2 a hned, je ta celá věc strašně nestabilní. Jediný způsob, jak navrátit stabilitu, je aby se tento šesti-uhlíkový řetězec rozpadl, a vytvořil dvě molekuly 3-fosfoglycerátu a toto jsou první stabilní produkty v Calvinově cyklu. Pro důvody, kterým budete za chvíli rozumět, jdeme toto udělat třem molekulám RuBP. Teď, se dostáváme do 2. fáze, redukce. Zde potřebujeme energii. Trocha ATP se dostane do fosfátové skupiny na 3-fosfoglycerát a poté NADPH dá trochu elektronů na to a tadááá! Máme dvě molekuly glyceraldehyd-3-fosfátu neboli G3P. Toto je tří uhlíková sloučenina s vysokou energií, kterou rostliny mění na jakýkoliv karbohydrát jako je glukóza pro krátkodobou zásobu energie, celulózu na strukturu, škrob na dlouho dobou zásobu a kvůli tomuto, je G3P považován za ultimátní produkt fotosyntézy. No, toto, ale bohužel není konec. Potřebujeme 5 G3P abychom regenerovali ty 3 RuBP, kterými jsme začali. Také potřebujeme 9 molekul ATP a 6 molekul NADPH. Takže, se všemi těmito chemickými reakcemi, a chemickou energií, můžeme změnit 3 RuBP na 6 G3P, ale pouze 1 z těch G3P odejde z Calvinova cyklu. Ostatní G3P, ovšem, musí být regenerovány na ty 3 originální ribulózy bisfosfátu. Tato regenerace je poslední fáze Calvinova cyklu. A to je, jak rostlina změní sluneční svit, vodu a CO2 na všechny živý věci, s kterými jste kdy mluvili, hráli, lezli po nich, milovali, nesnášeli anebo jedli. To není vůbec špatné, rostliny.