Quang: Vai trò của ánh sáng
Trái tim của quang khi nó xảy ra ở hầu hết các sinh vật tự dưỡng bao gồm hai quá trình
chính:
việc loại bỏ các hydro (H) nguyên tử từ các phân tử nước
việc giảm lượng khí carbon dioxide (CO 2 ) do các nguyên tử hydro để tạo
thành phân tử hữu cơ .
Quá trình thứ hai bao gồm một loạt các phản ứng có tên là cyclic (sau khi phát hiện ra nó)
của Calvin Cycle . Nó sẽ được thảo luận tại Quang: Lộ trình của Carbon cố định . Các
chi tiết của quá trình đầu tiên là chủ đề của chúng tôi ở đây.
Một mô tả của một số các thí nghiệm đã dẫn sự hiểu biết của chúng ta về các quá trình
này được mô tả trong Khám phá bí mật của Quang .
Các điện tử (e - ) và proton (H + ) tạo nên các nguyên tử hydro được tách ra riêng biệt từ
các phân tử nước.
2H 2 O -> 4e - + 4H + + O 2
Các điện tử phục vụ hai chức năng:
Họ giảm NADP + để NADPH để sử dụng trong chu trình Calvin.
Họ thiết lập một khoản phí điện cung cấp năng lượng để bơm proton
từ stroma của lục lạp vào bên trong của thylakoid [Xem] .
Các proton cũng phục vụ hai chức năng:
Họ tham gia vào việc giảm NADP + để NADPH.
Khi họ trở lại dòng chảy ra từ bên trong của thylakoid (bằng cách tạo điều kiện
khuếch tán ), đi xuống gradient nồng độ của họ), năng lượng mà họ bỏ được khai
thác để chuyển đổi của ADP cho ATP.
Bởi vì nó là ổ đĩa bằng ánh sáng, quá trình này được gọi
là photophosphorylation .
ADP + P i -> ATP
ATP cung cấp các thành phần thứ hai cần thiết cho việc chạy các chu trình
Calvin.
Việc loại bỏ các electron từ phân tử nước và chuyển giao của mình để NADP + đòi hỏi
năng lượng. Các electron được chuyển từ một tiềm năng khử oxy hóa trong khoảng 0,82
volt trong nước để -0,32 volt trong NADPH. Như vậy đủ năng lượng phải có sẵn để
chuyển chúng chống lại một tổng tiềm năng là 1,14 vôn. Trường hợp nào năng lượng cần
thiết đến từ đâu? Câu trả lời: Light .
Các màng Thylakoid
Lạp lục chứa một hệ thống các màng thylakoid bao quanh bởi một chất lỏng stroma .
Liên kết với trang trên cấu trúc lục lạp.
Sáu khu phức hợp khác nhau của protein màng tế bào tách rời được nhúng vào trong
màng thylakoid. Cơ cấu chính xác của các phức hợp khác nhau từ nhóm này sang nhóm
(ví dụ, nhà máy so với tảo) và thậm chí trong một nhóm (ví dụ, chiếu sáng trên không,
dưới nước). Nhưng, nói chung, có thể tìm thấy:
1. Tôi quang
Cấu trúc của quang tôi trong cyanobacterium một ("màu xanh-màu xanh lá cây tảo") đã
được hoàn toàn làm việc ra ngoài. Nó có lẽ gần giống với của nhà máy là tốt.
Nó là một homotrimer với mỗi tiểu đơn vị trong chất tam phân có chứa:
12 phân tử protein khác nhau liên kết với
96 phân tử của chất diệp lục a
o 2 phân tử của chất diệp lục trung tâm phản ứng P 700
o 4 phụ kiện phân tử liên kết chặt chẽ với họ
o 90 phân tử phục vụ như là sắc tố anten
22 carotenoid phân tử
4 phân tử lipid
3 cụm của Fe 4 S 4
2 phylloquinones
Xem cấu trúc của chất diệp lục a , b chất diệp lục , và beta-carotene, một chất
carotenoid .
2. quang II
Quang II cũng là một phức tạp của
> 20 phân tử protein khác nhau liên kết với
50 hoặc nhiều hơn chất diệp lục một phân tử
o 2 phân tử của chất diệp lục trung tâm phản ứng P 680
o 2 phụ kiện phân tử gần với họ
o 2 phân tử của pheophytin (chất diệp lục mà không có sự Mg + + )
o các phân tử còn lại của chất diệp lục một phục vụ như là sắc tố ăng-ten .
một số nửa tá carotenoid phân tử. Đây cũng phục vụ như là sắc tố ăng-ten.
2 phân tử của plastoquinone
3. Và 4. Thu hoạch
ánh sáng phức hợp
(LHC)
LHC-I kết hợp với
quang I
LHC-II kết hợp với
quang II
Những LHCs cũng hoạt
động như ăng-ten màu thu
hoạch ánh sáng và truyền
năng lượng của nó vào
photosystems tương ứng.
Các LHC-II của rau bina là
một homotrimer, với mỗi monome chứa
một polypeptide đơn
8 phân tử của chất diệp lục a
6 phân tử của chất diệp lục b
4 carotenoid phân tử
5. Cytochromes b 6 và f
6. ATP synthase
Làm thế nào hệ thống các công trình
Ánh sáng được hấp thụ bởi các sắc tố ăng ten của photosystems II và tôi .
Năng lượng hấp thụ được chuyển giao cho trung tâm phản ứng các chất diệp
lục, P 680 trong quang II, P 700 trong quang I.
Hấp thu của 1 photon ánh sáng của quang II loại bỏ 1 electron từ P 680 .
Với kết quả dương tính của mình, P 680 là đủ âm điện là nó có thể loại bỏ 1
electron từ một phân tử nước.
Khi các bước này đã xảy ra 4 lần, yêu cầu 2 phân tử nước, phân tử 1 của oxy và 4
proton (H + ) được phát hành
Các electron được chuyển giao (bằng cách plastoquinone - PQ trong hình) để
các cytochrome b 6 / f phức tạp mà họ cung cấp năng lượng cho chemiosmosis .
Kích hoạt của P 700 trong quang tôi cho phép nó để nhận các điện tử từ các
cytochrome b 6 / f phức tạp (theo cách của plastocyanin - PC trong hình vẽ) và
tăng lên đến một khử oxy hóa tiềm năng đầy đủ rằng, sau khi đi
quaferredoxin ( Fd trong con số),
họ có thể làm giảm NADP + để NADPH .
Những thay đổi tiềm năng oxi hóa khử răng cưa
trong khi các electron chuyển từ P 680 đến
NADP + đã gây ra hệ thống này được gọi là Z-
Scheme (mặc dù như tôi đã vẽ sơ đồ, nó trông
giống như một "N"). Nó cũng được
gọi noncyclic photophosphorylation bởi vì nó
tạo ra ATP trong một quá trình một chiều (không
giống như photophosphorylation
vòngvà photophosphorylation pseudocyclic mô
tả dưới đây).
Xem thêm về tiềm năng khử oxy hóa và cách chúng được khai thác trong quang hợp.
Liên kết tới trang phân tích những thay đổi năng lượng xảy ra trong quá trình quang.
Chemiosmosis trong Lục lạp
Năng lượng phát hành như là các điện tử đi xuống dốc giữa II quang và plastocyanin
(PC) được khai thác bởi cytochrome các b 6 / f phức tạp để
bơm proton ( H + ) với gradient nồng độ của họ từ stroma của lục lạp các thành phần bên
trong của thylakoid (một ví dụ về vận chuyển tích cực ). Khi bên trong làm tăng nồng độ
của họ (mà là giống như nói rằng độ pH của giảm nội thất), một gradient khuyếch tán
mạnh mẽ được thiết lập. Các lối ra duy nhất cho các proton là thông qua ATP
synthase phức tạp. Như trong ty thể , năng lượng phát hành như các dòng proton xuống
dốc của họ được khai thác để tổng hợp ATP . Quá trình này được gọi
là chemiosmosis và là một ví dụ về tạo điều kiện khuếch tán.
Liên kết với một mô tả của hai bài kiểm tra thử nghiệm của chemiosmosis trong lục lạp .
Cyclic Photophosphorylation
Mỗi CO 2 được đưa lên bởi các chu trình Calvin ) yêu cầu:
o 2 phân tử và NADPH
o 3 phân tử ATP
Mỗi phân tử oxy được phát hành bởi các phản ứng ánh sáng nguồn cung cấp trong
4 điện tử cần thiết để làm cho 2 phân tử NADPH.
Các chemiosmosis thúc đẩy bởi những 4 electron khi đi qua cytochrome b 6 / f
phức tạp chỉ giải phóng đủ năng lượng để bơm 12 proton vào bên trong của
thylakoid này.
Nhưng để làm 3 phân tử ATP, các ATPase trong lạp lục xuất hiện để có 14 proton
(H + ) đi qua nó.
Vì vậy, dường như có một mức thâm hụt của 2 proton.
Làm thế nào là thâm hụt này được tạo thành?
Một khả năng trả lời: vòng photophosphorylation .
Trong photophosphorylation tuần hoàn,
các điện tử bị trục xuất bằng năng lượng của ánh sáng hấp thu bởi quang tôi vượt
qua, như bình thường, để ferredoxin (Fd).
Nhưng thay vì đi vào để làm cho NADPH,
họ vượt qua để plastoquinone (PQ) và về trở lại vào cytochrome b 6 phức tạp f /.
Ở đây, năng lượng điện tử mỗi giải phóng bơm 2 proton (H + ) vào bên trong của
thylakoid - đủ để bù đắp thâm hụt lại bởi photophosphorylation noncyclic.
Quá trình này thực sự là vòng vì không có nguồn bên ngoài của các điện tử được yêu
cầu. Cũng giống như các bào quang trong một đồng hồ đo ánh sáng, quang tôi chỉ đơn
giản là sử dụng ánh sáng để tạo ra một dòng điện. Sự khác biệt duy nhất là thay vì sử
dụng hiện nay để di chuyển các kim đồng hồ ánh sáng, lục lạp sử dụng hiện thời để giúp
tổng hợp ATP.
Pseudocyclic Photophosphorylation
Một cách khác để làm tăng thâm hụt là do quá trình gọi là photophosphorylation
pseudocyclic trong đó một số các electron đi qua để ferredoxin sau đó giảm oxy phân tử
lại cho H 2 O thay vì giảm NADP +để NADPH.
Thoạt nhìn, điều này có thể là một hoàn tác không hiệu quả của công việc tất cả các khó
quang hợp. Nhưng nhìn lại. Mặc dù các chu trình điện tử từ các nước để ferredoxin và
ngược lại, một phần của con đường của họ là thông qua việc tạo gốc chemiosmosis của
cytochrome b 6 / f.
Ở đây, sau đó, là một cách khác mà chỉ đơn giản bằng cách bật một ánh sáng, đủ năng
lượng được truyền đến các điện tử mà họ có thể mang lại tổng hợp ATP.
Antenna Thuốc màu
Chất diệp lục a và b khác nhau chút ít ở các bước sóng của ánh sáng mà chúng hấp thụ tốt
nhất (mặc dù cả hai màu đỏ và màu xanh hấp thụ tốt hơn nhiều so với màu vàng và xanh
lá cây - Xem ). Carotenoids giúp điền vào các khoảng cách bởi mạnh hấp thụ ánh sáng
màu xanh lá cây. Các phức tạp đảm bảo rằng hầu hết toàn bộ năng lượng của ánh sáng sẽ
được giữ lại và chuyển cho các trung tâm phản ứng các chất diệp lục.