Фотосинтеза

Фотосинтеза! Това не е някаква научна абстракция. Нямаше да сме живи без растенията и тяхната магическа... не... научна способност да превръщат слънчевата енергия, въглеродния диоксид и водата в глюкоза и чист, вкусен кислород. Това се случва изключително чрез фотосинтеза. Процес, който се е развил преди 450 милиона години. И всъщност е доста кофти. Сложен, неефикасен и объркващ е. Но ти си решен да имаш по-добро и по-задълбочено разбиране на нашия свят и, още повече, сигурно искаш да имаш добра оценка на теста си. Така че да се захващаме. Има два вида реакции при фотосинтезата: светлинни и тъмнинни реакции. Сигурно вече си разбрал/а разликата между двете. Фазата, независеща от светлината, се нарича цикъл на Калвин Не. Не. Не. Не. Да. Този цикъл на Калвин. Фотосинтезата общо взето е дишане наобратно. И вече разгледахме клетъчното дишане. Значи може би трябва да го изгледаш наобратно. Или продължи да гледаш това. Вече говорих за това от какво се нуждае фотосинтезата, за да работи – вода, въглероден диоксид и слънце. Как те получават тези неща? Първо, водата, нека допуснем, че говорим за проводящо растение тук, Това е растение, което има тъкани, подобни на снопчета, които провеждат вода, минерали и други материали до други части на растението. Такива са дървета, треви и цъфтящи растения. В този случай корените на растенията засмукват вода и я довеждат до листата чрез проводяща тъкан – ксилемата. Въглеродният диоксид навлиза и кислородът излиза през миниатюрни пори в листата, т. нар. устица. Всъщност е изненадващо важно, че растенията поддържат ниска концентрация на кислород в листата си. Причината ще видим по-късно. Накрая, отделни фотони от слънцето се абсорбират от растението от пигмент, наречен хлорофил. Добре, спомняш ли си растителните клетки? Ако не, можеш да гледаш видеото, посветено на растителните клетки. Едно нещо, което растителните клетки имат, а животинските нямат, са пластидите. И кой е най-важният пластид? Хлоропластът. Който не е, както понякога е описван, голяма, тлъста торба с хлорофил. Той има сложна вътрешна структура. Хлорофилът е складиран в мембранни торбички – тилакоиди. Тилакоидите са слепени в грана. Вътре в тилакоидите е луменът, а вън от тилакоидите, но все още вътре в хлоропласта, е стромата. Тилакоидните мембрани са фосфолипидни бислоеве. Което, ако си спомняш, значи, че са наистина добри в поддържането на концентрационни градиенти на йони и протеини, и други неща. Това означава да се поддържа концентрацията по-висока от едната страна спрямо другата страна на мембраната. Ще трябва да знаеш всички тези неща. Съжалявам. След като се разходихме в хлоропластите, време е да стигнем до истинската химия. Първото нещо, което се случва: фотон, създаден от термоядрения синтез в слънцето, завършва пътешествието си от 150 милиона километра, удряйки се в молекула хлорофил. Това стартира първа фаза – светлинната фаза, което доказва, че почти целият живот на нашата планета се захранва от термоядрен синтез. Когато хлорофилът бъде ударен от този фотон, един електрон абсорбира енергията му и се възбужда. Това е техническият термин за електрони, получили енергия, която няма къде да я сложат. Когато енергията идва от фотон, се нарича фотовъзбуждане. Нека си представим за момент, че всеки фотон е някой замечтан младеж, по който всички 12-годишни момичета са луди. Нека електроните са 12-годишни момичета. Целият трик на фотосинтезата е да превърне енергията на тези 12-годишни... имам предвид електрони... в нещо, което растението може да използва. Буквално ще прекараме остатъка от видеото, говорейки за това. Надявам се, че нямаш нищо против. Първият хлорофил не е самичък. Част е от ужасно сложен комплекс от протеини, липиди и други молекули. Това е т. нар. фотосистема II, която съдържа поне 99 различни вещества, включително над 30 отделни молекули хлорофил. Това е първият от четири протеинови комплекса, от които растенията се нуждаят за светлинните реакции. И ако мислиш, че е сложно, че наричаме този първи комплекс фотосистема II, вместо фотосистема I, тогава можеш да използваш пълното му име: пластохинон оксидоредуктаза. Не, не искаш да го наричаш така? Добре, значи фотосистема II. Или ако искаш да е кратко: ФС II. ФС II и всички протеинови комплекси в светлинните реакции възсядат мембраната на тилакоидите в хлоропластите. Сега този възбуден електрон ще потегли на пътешествие, за да отдаде цялата си придобита нова енергия и да я превърне в нещо полезно. Това се нарича електрон-транспортна верига. Възбудените електрони губят енергията си в серия от реакции, които улавят енергията, необходима да поддържа живота. Хлорофилът на ФС II сега има този електрон, който е толкова възбуден, че когато се появи един протеин, създаден специално да краде електрони, електронът реално отскача от хлорофилната молекула върху протеина. Наричаме го мобилен електрон-транспортьор, защото реално е това. След това хлорофилът се паникьосва като майка, чиято дъщеря току-що е отвлечена от популярен тийн идол. "Какво да направя, за да оправя този проблем?" Със съдействието на останалата част от фотосистема II, прави нещо толкова невероятно и важно, че едва успявам да повярвам, че се случва всеки ден. Той разделя супер стабилната молекула H2O, открадвайки един от електроните ѝ и компенсира изгубения си електрон. Продукти от това разделяне на водата са водородни йони, които са просто отделни протони, и кислород. Пресен, чист кислород. Тази реакция, приятелю, е причината да можем да дишаме. Кратко отклонение. Следващият път, когато някой ти каже, че не му харесва да има химикали в храната, напомни им, че всичко живо е направено от химикали. И да спрат да се преструват, че думата химикал е някак си синоним на канцероген. Защото помисли как хлорофилът се чувства, като го кажеш. Той прекарва цялото си време и енергия да създава въздуха, който дишаме. А ние: "Уф, химикалите са толкова противни." Така, спомни си, че всички възбудени електрони от ФС II са качени на електронните носители и сега се транспортират до втория протеинов комплекс – цитохром комплекс. Този малък приятел прави две неща. Първо, служи като посредник между ФС II и ФС I. И второ, използва малко от енергията на електрона, за да изпомпи друг протон в тилакоида. Тогава тилакоидът започва да се пълни с протони. Създали сме няколко при разделянето на водата и сме преместили един чрез цитохромния комплекс. Но защо го правим? Това, което правим, е да заредим тилакоида като батерия. С напомпването на тилакоида с протони създаваме концентрационен градиент. Протоните естествено искат да стоят надалеч един от друг и си проправят път през ензим, възседнал тилакоидната мембрана – АТФ-синтаза. Този ензим използва енергията, за да пакетира неорганичен фосфат и АДФ, създавайки АТФ – големият бос на енергията в клетката. Цялото това движение по електрон-транспортната верига изисква енергия. Както можеш да очакваш, докато се движат, електроните влизат в състояния с по-ниска енергия. Това е логично, като се замислиш. Мина доста време, откакто тези фотони ни удариха. Изпомпихме водородни йони, за да създадем АТФ, разделяхме вода и скачахме върху различни молекули. Изморих се само да изговоря това. За щастие, след 450 милиона години еволюция, нашият електрон ще бъде реенергизиран при достигането на фотосистема I. ФС I е подобен микс от протеини и хлорофилни молекули, какъвто видяхме в ФС II, но с някои различни компоненти. След като двойка фотони възбудят отново двойка електрони, електроните изскачат и се качват на друг преносител на електрони. Този път цялата тази енергия ще се използва за създаването на НАДФН. Както АТФ, тази молекула съществува само с цел да пренася енергия. Още един ензим помага да се комбинират два електрона и един водороден йон с нещо малко, наречено НАДФ+. Както може би си спомняш от последния ни разговор за дишането, те са тези далечни братовчеди на витамините от група В и са важни за преобразуването на енергията. При фотосинтезата това е НАДФ+. Когато той поеме тези два електрона и един водороден йон, се получава НАДФН. Това, което ни остава след светлинната фаза, са химическата енергия под формата на АТФ и НАДФН. Разбира се, не трябва да забравяме най-полезния-безполезен отпадък в историята на безполезните отпадъци: кислородът. Ако се нуждаеш от пауза за тоалетна, сега е добър момент. Ако искаш да гледаш тази дълга и сложна част за светлинната фаза, остани с мен. Не е просто и няма да става по-просто оттук нататък. Защото стигаме до цикъла на Калвин. Цикълът на Калвин понякога се нарича тъмнинна фаза, което е грешно наименование, защото, общо взето, той не протича на тъмно. Случва се през целия ден заедно с останалите реакции, но не изисква енергия от фотоните. Затова е по-правилно да се каже фаза, независеща от светлината. Ако не ти се обяснява, просто кажи Фаза 2. Фаза 2 е използването на енергия от тези АТФ и НАДФН, които създадохме във Фаза 1, за да произведем нещо, което е полезно за планетата. Цикълът на Калвин започва в стромата или празното пространство в хлоропластите, ако си спомняш. Тази фаза се нарича фиксация на въглерода, защото ще фиксираме молекула CO2 върху началната ни молекула – рибулозо-бисфосфат или РуБФ. Тя винаги е налична в хлоропласта, защото не само е стартовата точка на цикъла на Калвин, но също е крайната точка. Затова е цикъл. CO2 се фиксира върху РуБФ с помощта на ензима рибулозо-1,5-бисфосфат карбоксилаза оксигеназа, съкратено РуБисКО. Отново съм в креслото, чудесно. Време е за биолография на РуБисКО. Имало едно време един едноклетъчен организъм: "Трябва ми още въглерод, за да мога да се размножа и да превзема света." За щастие на тези малки организми в атмосферата имало много CO2 и те развили ензим, който може да усвоява CO2 и да превръща неорганичния въглерод в органичен. Този ензим се казва РуБисКО и не е бил особено добър в работата си, но е било много по-добре от това да се надяваш да попаднеш на някакъв химически създаден органичен въглерод. Организмът е правел просто много, за да компенсира неефективността си. Не само, че растението го е запазило, но се разпространило по цялата планета и бързо станало доминантна форма на живот. Бавно чрез светлинните реакции растенията повишили количеството кислород в атмосферата. РуБисКО, създаден в свят с минимални количества кислород в атмосферата, започнал да се обърква. Затова около половината от времето РуБисКО започнал да разделя рибулозобифосфата с кислород, вместо с CO2. Така създава отпадъчен продукт, с който растенията трябва да се справят по креативен и специализиран начин. Счита се, че този отпадъчен продукт – фосфогликолат, поправя някои ензимни функции, в това число някои от цикъла на Калвин. Затова растенията трябва да изработват други ензими, които го разграждат до аминокиселини, глицерин и други съединения, които са полезни за цикъла на Калвин. Но растенията вече са отдадени на РуБисКО стратегията и до днес трябва да произвеждат огромни количества от него. Учените изчисляват, че във всеки един момент има около 40 милиарда тона РуБисКО на планетата. И растенията просто се справят с този токсичен отпаден продукт. Още един пример за неинтелигентен дизайн. Обратно към цикъла. Рибулозо-бифосфатът кара CO2 да се блъска в него и цялото нещо става супер нестабилно. Единственият начин да възвърне стабилност е да накара тази 6-въглеродна верига да се разпадне и да създаде 2 молекули от 3-фосфоглицерат. Това са първите стабилни продукти на цикъла на Калвин. Поради причина, която ще ти стане ясна след малко, всъщност ще направим това с три молекули рибулозо-бисфосфат. Влизаме във втората фаза, редукцията. Тук имаме нужда от енергия. Затова няколко АТФ отдават фосфатни групи на 3-фосфоглицератите и после НАДФН отдава няколко електрона. И ето, имаме две молекули глицералдехид-3-фосфат или Г3Ф. Това е богато на енергия съединение с 3 въглеродни атома, което растенията могат да превърнат в почти всеки въглехидрат: като глюкоза за кратко енергийно съхранение, целулоза за структура, скорбяла за дългосрочно съхранение. Ето защо Г3Ф се счита за крайния продукт на фотосинтезата. За съжаление обаче това не е краят. Трябват ни пет Г3Ф, за да регенерират тези три РуБФ, с които започнахме. Нуждаем се и от девет молекули АТФ и шест молекули НАДФН. С всички тези химични реакции и цялата тази химична енергия можем да превърнем три РуБФ в шест Г3Ф, но само един от тези Г3Ф ще напусне цикъла. Другите Г3Ф, разбира се, трябва да регенерират първоначалните три РуБФ. Тази регенерация е последната фаза на цикъла на Калвин. По този начин растенията превръщат слънчевата светлина, вода и въглероден диоксид във всяко живо нещо, с което някога си говорил, играл, катерил си се по него, обичал си, мразил си или ял. Добра работа, растения.