Rozdiel medzi cyklickou a necyklickou fotofosforyláciou

Väčšina organických materiálov požadovaných organizmami sa vyrába z produktov fotosyntézy. Fotosyntéza zahŕňa premenu svetelnej energie na energiu, ktorú môže bunka využiť, najmä chemickú energiu. V rastlinách a riasach sa fotosyntéza vyskytuje v organele nazývanej chloroplast, ktorá obsahuje vonkajšiu membránu, vnútornú membránu a tylakoidnú membránu (https://en.wikipedia.org/wiki/Chloroplast)..

Fotosyntézu je možné rozdeliť na dve hlavné časti: (1) fotosyntetické reakcie elektrónového prenosu („svetelné reakcie“) a (2) reakcie fixácie uhlíka („temné reakcie“). „Svetelné reakcie“ zahŕňajú elektróny dodávajúce energiu slnečnému žiareniu vo fotosyntetickom pigmentovom chlorofyle, ktorý potom putuje po reťazci transportu elektrónov v tylakoidovej membráne, čo vedie k tvorbe ATP a NADPH. „Temné reakcie“ zahŕňajú výrobu organických zlúčenín z CO2 pomocou ATP a NADPH produkovaných „svetelnými reakciami“ a v tomto článku sa ďalej nebudeme zaoberať..

Fotosyntéza zahŕňa použitie dvoch fotosystémov (fotosystém I a fotosystém II) využiť energiu svetla pomocou elektrónov na výrobu ATP a NADPH, ktoré môžu bunky neskôr použiť ako chemickú energiu na výrobu organických zlúčenín. Fotosystémy sú veľké proteínové komplexy, ktoré sa špecializujú na zber svetelnej energie a jej premenu na chemickú energiu. Fotosystémy sa skladajú z dvoch častí: anténneho komplexu a fotochemického reakčného centra. Anténový komplex je dôležitý pri zachytávaní svetelnej energie a pri prenose tejto energie do fotochemického reakčného centra, ktoré potom premieňa túto energiu na použiteľné formy pre bunku..

Najskôr svetlo excituje elektrón v molekule chlorofylu v anténnom komplexe. Ide o fotón svetla, ktorý spôsobí, že sa elektrón presunie na orbitál vyššej energie. Keď je elektrón v molekule chlorofylu excitovaný, je nestabilný vo vysokej orbitálnej energii a energia sa rýchlo prenáša z jednej molekuly chlorofylu na inú pomocou rezonančného prenosu energie, až kým nedosiahne molekuly chlorofylu v oblasti známej ako fotochemické reakčné centrum. Odtiaľ sa excitované elektróny prenášajú do reťazca elektrónových akceptorov. Svetelná energia spôsobuje prenos elektrónov od slabého donora elektrónov (ktorý má silnú afinitu k elektrónom) k silnému darcovi elektrónov v redukovanej podobe (nesúci vysokoenergetický elektrón). Konkrétne donory elektrónov, ktoré používa daný organizmus alebo fotosystém, sa môžu líšiť a budú diskutované ďalej pre fotosystémy I a II v rastlinách..

Fotosyntéza vedie v rastlinách k produkcii ATP a NADPH dvojkrokovým procesom známym ako necyklická fotofosforylácia. Prvý krok necyklickej fotofosforylácie zahŕňa fotosystém II. Vysokoenergetické elektróny (spôsobené svetelnou energiou) z molekúl chlorofylu v reakčnom centre fotosystému II sa prenášajú na chinónové molekuly (silné donory elektrónov). Fotosystém II používa vodu ako slabého donora elektrónov, aby nahradil nedostatky elektrónov spôsobené prenosom vysokoenergetických elektrónov z molekúl chlorofylu na chinónové molekuly. Toto sa dosahuje enzýmom štiepiacim vodu, ktorý umožňuje odstránenie elektrónov z molekúl vody, čím sa nahradia elektróny prenesené z molekuly chlorofylu. Keď sa z dvoch molekúl H2O (zodpovedajúcich 4 fotónom) odstránia 4 elektróny, uvoľní sa O2. Redukované chinónové molekuly potom vedú vysokoenergetické elektróny do protónovej (H +) pumpy známej ako cytochróm b6-F zložitá. Cytochróm b6-F komplex pumpuje H + do tylakoidného priestoru, čím sa vytvára koncentračný gradient cez tylakoidovú membránu.

Tento protónový gradient potom riadi syntézu ATP enzýmom ATP syntáza (tiež nazývaná F0F1 ATPáza). Syntéza ATP poskytuje prostriedkom pre H + ióny cestovanie cez tylakoidovú membránu, po ich koncentračnom gradiente. Pohyb H + iónov po ich koncentračnom gradiente riadi tvorbu ATP z ADP a Pi (anorganický fosfát) pomocou ATP syntázy. Syntéza ATP sa nachádza v baktériách, archeach, rastlinách, riasach a živočíšnych bunkách a má úlohu pri dýchaní aj pri fotosyntéze (https://en.wikipedia.org/wiki/ATP_synthase)..

Konečný elektrónový prenos fotosystému II je prenos elektrónov na molekulu chlorofylu s nedostatkom elektrónov v reakčnom centre fotosystému I. Vzrušený elektrón (spôsobený svetelnou energiou) z molekuly chlorofylu v reakčnom centre fotosystému I sa prenáša na molekula nazývaná ferredoxín. Odtiaľ sa elektrón prenesie do NADP + a vytvorí NADPH.

Necyklická fotofosforylácia produkuje 1 molekulu ATP a 1 molekulu NADPH na pár elektrónov; fixácia uhlíka však vyžaduje 1,5 molekuly ATP na molekulu NADPH. Na riešenie tohto problému a produkciu väčšieho množstva molekúl ATP používajú niektoré druhy rastlín proces známy ako cyklická fotofosforylácia. Cyklická fotofosforylácia sa týka iba fotosystému I, nie fotosystému II a netvorí NADPH alebo O2. Pri cyklickej fosforylácii sa vysokoenergetické elektróny z fotosystému I prenášajú na cytochróm b6-F komplexný namiesto toho, aby bol prevedený do NADP +. Elektróny strácajú energiu pri prechode cez cytochróm b6-F Výsledkom je, že komplex späť do chlorofylu fotosystému I a H + je čerpaný cez tylakoidovú membránu. To zvyšuje koncentráciu H + v tylakoidovom priestore, ktorý riadi produkciu ATP pomocou ATP syntázy.

Úroveň necyklickej verzus cyklickej fotofosforylácie, ktorá sa vyskytuje v danej fotosyntetickej bunke, je regulovaná na základe potrieb bunky. Týmto spôsobom bunka môže riadiť, koľko svetelnej energie premieňa na redukčný výkon (poháňaný NADPH) a koľko sa premieňa na vysokoenergetické fosfátové väzby (ATP)..