Фотосинтеза

Да разгледаме един от най-важните биологични процеси. Откровено казано, ако този процес не се случваше, ние вероятно нямаше да живеем на Земята и аз нямаше да правя това видео за теб, защото нямаше да има откъде да се снабдявам с храна. Процесът се нарича фотосинтеза. Вероятно идеята ти е сравнително позната. Цялата идея е свързана с растенията, и всъщност бактериите, водораслите и други неща, но обикновено тя се свързва с растенията. Нека го обясня с прости думи. Обикновено я свързваме с растенията. Това е процес, който растенията използват, и вероятно сме го научили, когато сме били много малки. Това е процес, при който растенията приемат въглероден диоксид плюс вода, плюс слънчева светлина, и ги преобразуват в захари или въглехидрати. Въглехидрати или захари плюс кислород. Очевидно, тук имаме два много важни елемента за нас като живи същества. Първо, ние се нуждаем от въглехидрати или захари като гориво за телата си. Видяхме това в клипа за клетъчното дишане. Ние произвеждаме всичкия АТФ чрез клетъчно дишане от глюкозата, която е по същество страничен продукт, или разграден въглехидрат. Това е най-лесното за преработка вещество при клетъчното дишане. И втората изключително важна част е получаването на кислород. Още веднъж, необходимо е да поемаме кислород с цел да разграждаме глюкозата, за да дишаме, за да осъществим клетъчно дишане. Така че тези две неща са ключови за живота, особено за живота, при който се вдишва кислород. Така че при този процес, освен че е интересен, може да се каже, че около нас има организми, основно растения, които са способни да употребяват слънчевата светлина. В Слънцето се извършва термоядрен синтез, а то е на 93 милиона мили (147 млн. км.) оттук, и при него се освобождават фотони. Една малка част от тези фотони достигат повърхността на Земята. Те си проправят път през облаците и през всичко друго. И тези растения, бактерии и водорасли са способни да ги използват, по някакъв начин и да ги превърнат в захари, които след това да можем да изяждаме, и кравата се храни с тях, а ние се храним с кравата ако не сме вегетарианци, и тогава използваме това за производство на енергия. Не че кравата е съставена изцяло от въглехидрати, но те основно се използват за гориво или енергия на всички други важни съединения, с които се храним. Ето откъде вземаме всичкото наше гориво. Значи това е гориво за животни. Или, ако директно изядеш един картоф, ти буквално си получаваш нужните въглехидрати. Както и да е, това е много проста представа за фотосинтезата, но тя не е неправилна. Ако трябва да знаеш едно нещо за фотосинтезата, трябва да е точно това. Но нека се поровим малко по-дълбоко и се опитаме да навлезем в същината ѝ, да опитаме да разберем малко по-добре как всъщност се случва. Намирам за удивително това, че фотоните от слънчевата светлина се използват някак, за да бъдат създадени тези молекули захар или тези въглехидрати. Нека малко се задълбочим. Можем да напишем основното уравнение на фотосинтезата. Добре, аз почти го написах тук. Но ще го напиша малко по-научно. Започваме с въглероден диоксид. Добавяме вода и към това добавяме – вместо слънчева светлина, ще запиша фотони, защото те именно възбуждат електроните в хлорофила. Ще видиш този процес вероятно в този клип, и ще го разгледаме по-подробно в следващите няколко клипа. Но този възбуден електрон преминава на по-високо енергийно ниво, и когато се върне на по-ниско енергийно ниво, сме в състояние да използваме тази енергия, за да произведем АТФ, и с помощта на НАДФH2 се образуват въглехидрати. Но ще видим това след малко. Ако резюмираме, започва се с тези изходни вещества и накрая се получават въглехидрати. Въглехидратите може да са глюкоза, но не е задължително. Обикновено въглехидратите се изписват като CH2O. Ще сложим тук и едно n, защото може да имаме n на брой въглероди. Обикновено ще са поне три на брой. В глюкозата са шест. Има 6 въглеродни, 12 водородни и 6 кислородни атома. Това е обичайният начин за записване на въглехидрати, но може да има много различни. Може да ти излязат тези дълги вериги въглехидрати. И така, накрая имаме молекула въглехидрат и кислород. Това тук не е много по-различно от онова, което написах по-горе, за обичайния начин, по който винаги сме си представяли фотосинтезата в мислите си. За да изравним това уравнение, нека видим... Имам n въглеродни атоми, така че са нужни толкова на брой там. Да видим, тук имам 2n водорода. Два водорода, и там имам n такива, така че са ми нужни 2n водорода тук. Така че слагам n ето тук. Нека видим колко кислород е нужен. Имам 2n кисорода, плюс още един n, така че имам 3n кислорода. И така, нека видим, имам един n, слагаме един n тук, сега имам 2n, и мисля, че уравнението е напълно изравнено. Това е много обобщен изглед на случващото се при процеса фотосинтеза. Но ако се задълбочим още малко, ще видим че това не се случва изведнъж, а след осъществяване на определени стъпки, които накрая ни отвеждат към въпросния въглехидрат. Така че можем да разделим фотосинтезата на отделни етапи. Ще го кажа още веднъж. Фотосинтезата може да се раздели на етапи, което ще обсъждаме по-подробно в клиповете по-нататък, но най-напред искам да направя общ преглед – можем да я разделим на два етапа. Единият вид реакции се наричат "светлинни", или понякога се наричат "светлинно-зависими" реакции, и това всъщност е вероятно по-добрият вариант да ги наречем. Ще го използваме от тук нататък. "Светлинно-зависими" означава, че те се нуждаят от светлина, за да протичат. Светлинно-зависими реакции. И после имаме т.нар. "тъмнинни реакции", което всъщност е лошо название, защото те също протичат на светло. Написах "тъмнинни реакции" с малко по-тъмен цвят. Причината, поради която казах, че това е лошо название, е това, че те всъщност протичат и на светло. Причината те да бъдат наречени "тъмнинни" е, че не е нужна светлина, или че тази част от фотосинтезата не зависи от присъствието на фотони, за да протича. И по-добър термин щеше да бъде "светлинно-независима реакция." И да изясним, светлинните реакции всъщност се нуждаят от слънчева светлина. За да продължат да протичат, те се нуждаят от фотони. Тъмнинните реакции не се нуждаят от фотони, за да протичат, въпреки че протичат при отсъствието на слънчева светлина. Те не се нуждаят от тези фотони, но са им нужни вторичните продукти от светлинната реакция, и затова тази реакция се нарича "светлинно-независима". Те стават в отсъствието на слънчева светлина, а и тя не им е нужна. Тук е нужно слънцето, така че нека изясня. Тук е нужна слънчева светлина. Тук са нужни фотони. Нека направим кратък преглед на процеса. Нека започнем да строим скеле, откъдето ще разсъждаваме по-нататък. И така, за светлинните реакции са нужни фотони, а след това вода. Водата участва в светлинните реакции, и от другата страна на тези рекации получаваме кислород в молекулен вид. Това се случва в светлинните реакции, и ще разгледаме по-подробно това, което всъщност става. Това, което се получава в светлинните процеси, е АТФ, който знаем е основата на разпространението на биологична енергия. Тук се получават АТФ и НАДФН. И така, когато разгледахме клетъчното дишане, видяхме молекулата НАДН. НАДФН е много сходна молекула. Тук виждаме това Ф. Ето я фосфатната група там, но тук наистина виждаме сходни механизми. Този агент тук, тази молекула тук, е способна да отдаде... нека помислим какво означава това – тя е способна да отдаде този водород и електрона, свързан с него. И така, ако отдадем един електрон на някой друг или някой друг приема един електрон, този "някой друг" се редуцира. Нека го напиша. Ето един лесен начин за запомняне (на английски). "OIL RIG" – " Oxidation Is Losing (an electron)"; "Reduction Is Gaining (an electron)". При окислението се губи един електрон. При редукцията се поглъща електрон. Зарядът е редуциран, когато се поглъща електрон. Налице е отрицателен заряд. И така, това тук е редукторът. Той бива окислен чрез отдаване на водорода и електрона с него. Относно биологичния и химичния възглед за окисление, можем да проведем цяла дискусия, но и двата възгледа имат една и съща идея. Когато се отдава един атом водород, се изгубва способността за поглъщане на този водороден електрон. И така, този агент тук, когато взаимодейства с другите неща, е редуктор. Той отдава този водород и електрона, свързан с него, а другите неща се редуцират. Така че това тук е редуктор. Полезното да се знае е това, че когато този водород, и най-вече електронът, свързан с него, отиде от НАДФН при друга молекула и го прави в по-ниско енергийно състояние, енергията също може да бъде употребена при тъмнинните реакции. При клетъчното дишане видяхме подобната молекула, НАДН, която чрез цикъла на Кребс, или по-точно чрез веригата за транспортиране на електрони, можеше да помогне при производството на АТФ чрез отдаване на електроните си и така те преминават към състояние с по-ниска енергия. Но нека не те обърквам толкова. Светлинните реакции са представени чрез фотоните, чрез водата; отделя се кислород, АТФ и НАДФН, които по-късно могат да се използват в тъмнинните реакции. Когато говорим за повечето растения, тъмнинните реакции носят названието "Цикъл на Калвин". Ще разгледаме по-подробно какво всъщност се случва при цикъла на Калвин: използват се АТФ, НАДФН и се получава глюкоза но не директно. Произвежда се – вероятно видя това вече. Можем да го наречем G3P Можем да го назовем глицер-алдехид-трифосфат Всичките тези означават – нека го напиша – това е фосфоглицералдехид или глицер-алдехид-трифосфат. Почеркът ми се развали. Или, наричаме го още "глицералдехид трифосфат". Абсолютно същата молекула. Можем почти да си го представим като – това е доста опростен вид – като три въглеродни атома с прикрепена към тях фосфатна група. Това може малко по-късно да се използва при производството на други въглехидрати, включително глюкоза. Ако имаме две такива молекули, можем да ги използваме при производството на глюкоза. И така, нека пак прегледаме всичко набързо, защото е много важно. Ще представя в клипове светлинните реакции и тъмнинните реакции. На тази тема ще са следващите два клипа. И така, фотосинтезата започва с фотоните. Това тук става при отсъствие на слънчева светлина, като само светлинните реакции се нуждаят от фотони. При светлинните реакции се вземат фотони – ще разгледаме по-подробно какво се случва – и е нужна вода. Отделя се кислород, отделят се АТФ и НАДФН, и след това се употребяват от тъмнинната реакция, или цикъла на Калвин, или светлинно-независимата реакция, макар те да могат да протичат и на светло. Но те не се нуждаят от фотони. Така че те представляват светлинно-независимата реакция. Това се използва едновременно, заедно – ще говорим и за други молекули, които се използват заедно. О, забравих един важен компонент на тъмнинната реакция. Нужен е въглероден диоксид. От тук се взема въглерода, за да продължи производството на фосфоглицералдехидите, или на глицералдехид-3-фосфат. Това е изключително важно. Взема се въглеродният диоксид, продуктите от светлинните реакции, и след това се използват в цикъла на Калвин, за да се произведе този прост градивен блок от други въглехидрати. И ако си спомняш от глюкозата, може би ти идва на ум, че тази молекула, или този глицералдехид-3-фосфат беше първият продукт, когато разделихме глюкозата на две при извършването на гликолиза. Сега вървим по обратния път. Изграждаме глюкозата, за да можем да я разградим по-късно заради енергията. Това е преглед на фотосинтезата, и при следващите два клипа ще навлезем в дълбочина и ще кажем повече за светлинните реакции и тъмнинните реакции, и как те протичат в действителност.