Photosynthesis: Light Reactions 1

З останнього відео ми дізнались дещо

про фотосинтез.

Загалом це процес,

взаїмодії фотонів світла,
води і вуглекисого газу,

Енергія фотонів застосовується
для фіксування вуглецю.

Під фіксуванням мається на увазі процес ,
в якому вуглець гозоподібного утворення

як наприклад вуглекислий газ,

фіксується у твердому утворенні.

На разі це карбогідрат.

Першим кінцевим продуктом фотосинтезу

є цей ланцюжок з 3 молекул вуглецю,
що зветься глицеральдегид 3-фосфат .

З його допомогою можно отримати глюкозу,

або інший карбогідрат.

Тож давайте розберемо,

що саме відбувається

на цих етапах фотосинтезу.

Існує дві фази:

1)денна фаза

2)нічна фаза.

Хоча слово нічна не коректне,

тому що вона відбувається також і удень,

разом з денною,

просто не потребує

фотонів сонця.

Отже денна фаза.

Фаза, що потребує фотони сонця,

та навіть фотони інфракрасної лампи,

такі бувають у теплиці,тощо.

Фотони у сполученні з
водою використовуються

для виготовлення АТФ і зниження НАДФ плюс
до НАДФН.

А зниження це отримання електронів
чи атомів водню

Це теж саме, тому що коли
отримується

атом водню разом з його електроном,
оскільки водень

не дуже електронегативний
то потребує електрон.

Отже отримується і водень
і електрон.

Але давайте розберемо це детальніше.

Та перед цим

трохи про будову рослин.

На екрані зображені клітини рослини.

Вони мають клітинні стінки,

тому і виглядають трохи квадратними.

Тож уявіть, що це рослинні клітини.

Кожний прямокутник -

- це клітина.

Всередині клітин є органелли,
що звуться

хлоропласти.

Органели це ніби органи
рослинних клітин.

Це субблоки,

субблоки клітин поєднані мембраною.

Тут є і ядро і ДНК,

тобто все що має бути у клітини.

Але я це не зображую,

я зображу лише хлоропласти.

Ця клітина разом з багатьма іншими

живими організмами виконують фотосинтез,
та наразі

про рослини.

Те з чим фотосинтез асоціюють.

У кожній клітині від 10
до 50 хлоропласт.

Зобразимо їх зеленими,
тому що вони

містять хлорофіл.

Який наші очі сприймають як зелений.

Тобто вони зелені, тому що,
відбивають зелений

колір і поглинають красний,
голубий та решту

кольорів спектру.

Ось чому зображую зеленим.

Решта кольорів поглинається.

Розглянемо детальніше.

Отже 10 - 50 хлоропласт у клітині.

Збільшемо один хлоропласт.

Так з клітинами ясно.

Ось як виглядає

рослинна клітина.

Зелені кільця - це органели рослин.

Їх назва хлоропласти.

Тепер збільшемо хлоропласт.

При збільшенні можно

мобачити мембрану,

і також рідину

всередені хлоропласта.

Ця рідина

називається строма.

Строма хлоропласта.
І у цій стромі

знаходяться складки мембрани,

ніби маленьки стопки.

Спробую їх зобразити.

На кшталт цього.

Трохи нагадують млинці.

Ще декілька.

Ось тут

і тут.

Отже усі ці млинці

називаються тілакоїди.

Ось так виглядає тілакоїд.

Талакоїди теж мають мембрану.

І вона дуже важлива.

Згодом ми її теж збільшемо.

Отже цей зелений контур - мембрана.

Рідина в середині тілакоїда,

ця рідина,

зафарбована жовтим

Це так званий простір тілакоїда,
чи порожнина талакоїда.

І ще трохи термінології.

Група талакоїдів, ось як ця

має назву грана.

Тож як зветьсі група талакоїдів?

Саме так - грана.

А це органелла.

Еволюційні біологи вважають,

що колись вони були
незалежними організмами,

а потім раптом згрупувались
з іншими організмами, і почали

жити всередині
їх кліток.

Тобто вони мають власне ДНК.

Мітохондрія - це ще один
приклад органелли,

що вважається колись була

незалежним організмом.

Вони домовились з іншими клітинами,
на кшталт:

"Привіт, може я вироблю тобі енергії

в обмін на їжу, чи ще щось".

Стали вони еволюціонувати разом

і перетворились в один організм.

Може ти запитуєш себе:
" У що ж ми еволюціонуємо?"

Та це інша історія.
Отже тут рібосоми.

Та всеж! Лише уявіть, що колись у минулому

предки цієї органелли

були незалежними організмами.

Та годі відволікатись.

Збільшемо знову мембрану
одного з тілакоїдів.

Увага я збільшую

цю квадратну ділянку.

Ось тут.

Отже крупний план.

Дуже крупний.

Збільшую.

Великий квадрат це збільшений малий.

Крупний план мембрани тілакоїда.

Дві зелені лінії зображують мембрану.

Це фосфорно біліпідний прошарок.

Це гідрофобні хвости -

вони якось так виглядають.

Для фотосинтезу дуже важливу роль

відіграє ця мембрана.

Зовні її поверхні рідина,

що заповнює увесь хлоропласт.

Та сама строма

Цей простір вже у середині

нашого тілакоїда.

Це простір талакоїда.

Цей рожевий колір

і є так званий

простір талакоїда.

У цій мембрані, якщо порівняти,

може нагадувати мітохондрію
і ланцюг переноса електронів

Саме це я і намагаюсь зобразити
у цьому відео

-ланцюг переносу електронів.
або ЛПЕ

Багато людей не погодяться
тут зі мною,

але саме так воно і є.

По суті це і є ЛПЕ.

На мембрані ми маємо протеїни

і молекулярно протеїнові комплекси,

що оточують мембрану.

Виглядає приблизно так.

Назвимо це "Фотосистама-2"

Тому що це її справжня назва.

Фотосистема-2

Ще один тут.

Такі комплекси насправді

неймовірно складні, тож зважайте ,
мої малюнки

дуже загальні.

Ось так Фотосистема-2 виглядає насправді.

Дійсно заплутано.

Ці циліндричні штуки - протеїни.

А зелені - молекули хлорофілу.

Та ще багато іншого.

І все це сплетене між собою.

Гадаю, комплекс, підходяще слово.

Це купа протеїнів, купа молекул

сплетених разом щоб виконувати
спецефічну функцію.

Яку я згодом опишу.

Отже так виглядає фотосистема-2.

Існує також фотосистема-1

і тут вже будова відрізняється.

Існує цитохром Б6Ф , який я намалюю

іншим коліром.

Не хочу лізти поперед батька в пекло,

щоб не заплутати вас.

Тож ми маємо інші
протеїново-молекулярні комплекси,

які також оточують мембрану.

Спочатку я поясню вам загалом,

а потім вже вдамся у деталі процессу

денної фази, чи як ще кажуть -
світлозалежної.

Маємо фотони.

Фотони сонця.

Вони подолали 93 мілльйони миль.

Ці фотони ідуть сюди

і збуджують електрони молекул хлорофілу,

Молекул А- хлорофілу.

Теж саме відбувається у фотосистемі-2,
якщо вже вдатися

у подробиці , тож фотони збуджують
молекули хлорофілу,

електрони яких підвищують
свій енерго-рівень.

Так от,

їх енерго-рівень підвищився.

Але подорожуючи від однієї
молекули до іньшої, енерго-рівень

електронів падає.

В ході зниження енерго-рівня,
атоми водню,

точніше протони водню,
без електронів.

Ці протони водню

всмоктуються у порожнину тілакоїда.

Як вже згадувалось вище, у частині про

ланцюг переносу електронів.

Коли у ланцюгу електрони
рухаються від

високого до низького енерго-рівня.

Енергія електронів була використана
у транспортируванні

водня крізь мембрану.

У тому випадку була мітохондрія,

у цьому - тілакоїд.

Та кожний з випадків має
цей перепад,коли за допомогою

енергії фотонів , електрони входять
у високий енерго рівень,

а згодом переходять у низький

енерго рівень.

Потім входять у фотосистему-1,
в якій бомбардуються

іншим фотоном.

Хоча це спрощення, але дає уявлення.

Знову набувають високий енерго рівень

і поступово його знижують.

Увесь час, енергія електронів

застосовується для перекачки
протонів водня

у порожнину талакоїда.

Отже маємо

колосальне скупчення
протонів водню.

Так само як у ланцюгу
переносу електронів,

це скупчення протонів водню

застосовується для АТФ-сінтази.

Спробую намалювати

АТФ-сінтазу.

Якщо пам'ятаєте, то
вона виглядає

приблизно так.

Тут скупчується сила силенна

протонів водню.

Всі вони хочуть повернутися
з порожнини до строми.

Що вони і роблять.

І вони проходять скрізь АТФ-сінтазу.

Забарвимо це.

Протони водню тепер повертаються,
що означає підвищення

енергорівня.

Цей процес дуже потужний.

Дозвольте поглибитися у деталі.

Це буквально провертає цю
верхню частину АТФ -сінтази,

як я зобразив це на малюнку.

Що і з'єднує АДФ разом
з фосфатною групою.

Таким чином

виробляється АТФ

Звісно все це узагальнено.

Тепер я поглиблюсь у деталі .

Процес я щойно пояснив зветься

фотофосфорилювання

Навіть напишу це.

Чому саме така назва.

Тому що задіяні фотони.

Фото - означає світло.

Саме так!

Фотони світла збуджують
електрони хлорофілу,

які в свою чергу, мандрують від однієї
молекули до іншої,

тим самим знижуючи

свій енерго-рівень.

Це спонукає перекачку протонів водню

із строми в порожнину тілакоїда.

Протони водню

хочуть повернутися до строми.

Цей процес зветься -хеміосмос.

Що і призводить до

АТФ-сінтази.

Позначу його стрілкою.

Отже відбувається реакція АДФ
і фосфатної групи,

яка створює АТФ.

Коли я розповідав про світло-залежні
і незалежні реакції,

то згадував, що світло-залежні
реакції мають два

побічних продукта.

Взагалі три включно з АТФ.

А саме: АТФ, НАДФН

і НАДФ знижений.

Так здобуваються ці електрони
і цей водень.

То до чого це я?

Якщо мова йдеться про нециклічне
окислювальне фотофосфорилювання

чи про нециклічні світлові реакції,
то це стосується

останнього акцептора електронів.

В ході зниження енергорівня електронів,

остаточним електронним акцептором

є НАДФ плюс.

Тож коли НАДФ плюс приймає
електрони разом

з протонами водню, то він
перетворюється на НАДФН.

Як я вже згадував, частина цього
процеса - вода.

Так от вода окислюється до

молекулярного кисню.

Де це відбувається?

Коли у фотосистемі-1 молекула хлорофіла

має збуджений електрон, що переходить

у вищій енерго рівень,

і починає мандрувати від однієї

молекули до іньшої, з'являється питання -

"Як замінити той електрон?"

Виявляється що ми застосовуєм

електрони води.

Тобто тут у нас вода.

Вода віддає водень разом з електронами.

Отже електрон збуджений фотоном

замінюється двома протонами водню
і двома електронами

молекули води.

Збуджений електрон пересувається до

фотосистеми-1 і фінішує у НАДФН.

Так розкуркулюють воду на електрони.

На прикінці коли електрони і водень

відібрані, залишається лише кисень.

Я хочу звернути вашу увагу на цей

досить вагомий процес.

Принаймні з точки зори хімії.

Зверніть увагу -

- окислюється вода!

Єдине місце в усій царені біології,
де таке може трапитиись,

а саме окиснення води,

що означає забрати електрони
у молекули води.

Це у буквально означає

забрати їх у кисня.

Окислюється кисень.

Так от єдине місце,де це можливо -

- це фотосистема-2.

Це дуже грунтовна ідея,
тому що загалом електрони

не полишають воду, прекрасно

себе почуваючи , кружляючи навкруги кисню.

Кисень - дуже електронегативний атом.

Саме через те ми звемо кисень окислювачем.

Тому що він окислює.

Аж раптом, щось окислює його,

щось що може відібрати його електрони

і передати їх хлорофілу.

Фотони збуджують електрони,

які згодом понижають

свій енерго-рівень.

Збуджуються знову у фотосистемі-1
новою порцією

фотонів, і знову знижують свій

енерго-рівень.

Допоки не дістаються НАДФН,
де і залишаються.

Впродовж зниження енерго-рівня, їх енергія

була застосована для перекачки
водню крізь мембрану,

із строми у простір тілакоїда.

А потім енерго-перепад застосовується
для вироблення АТФ.

У наступному відео,

я залізу у дебрі енерго-рівней,

і поясню що означає
високий чи низький енерго-рівень.

Але по-суті це все.

Електрони збуджуються.

І наприкінці опиняються у НАДФН.

Коли електрон збуджується,
а потім поступово знижує

свій енерго-рівень, цей перепад

призводить до перекачки водню,

а потім провокує АТФ-сінтазу,

для виробництва АТФ.

Збуджений раніше електрон

потребує заміни.

Новий електрон витянутий з H2O.

Тож протони водню разом з електронами

висмикнуті з H2O, і залишається
лише молекула кисню.

Хочу щоб ви оцінили всю складність

- я раніше це показував -

фотосистеми-2, але це її
умовне зображення.

Авжеж насправді

немає таких циліндрів.

Це умовно зображені протеіни.

А зеленим зображені

молекули хлорофілу А.

І відбувається наступне - фотони
зіштовхуються з хлорофілом А,

але не лише з ним, а також,

з так званими молекулами-антенами -

це також хлорофіл, але іншого типу -

самі ж молекули теж іншого типу.

Отже група фотонів зіштовхується
з хлорофілом, таким чином

збуджуючи електрони, необов'язково
в молекулі хлорофілу А,

Це можуть бути електрони інших
типів хлорофілу,

чи навіть електрони, так званих,
пігментних молекул

які поглинають фотони.

А потім їх електрони збуджуються.

Уявіть це як вібрацію.

Звісно, коли це на квантовому рівні, це

не найліпше порівняння,

але створює уявлення.

Таким чином вони пересуваються
до хлорофілу А.

Це має назву енергія резонансу.

Вони "вібрують" у напрямку до
хлорофілу А,

де і збуджують електрони.

Ця молекула основний -
головний акцептор електронів.

Ось вона.

Феофітін,

чи просто Фео.

Звідси вже розпочинаються
мандри від однієї молекули

до іньшої.

Детальніше у іньшому відео.

Чи це не чарівно.

Лише погляньте як все заплутано.

Щоб істотно збудити електрони,
а потім їх використувати

для розпочатку процесу перекачки водню

крізь мембрану.

Це місце досить цікаве

Це ділянка окислення води.

Ідея окислення води мене
шалено збуджує.

Саме на цій ділянці фотосистемі-2

окислюється вода.

Складний механізм.

Висмикувати електрони і водень
з молекули води

- це не жарти.

Наразі це все.

Наступне відео буде посвячено

енергорівням.

Та ще звернемо увагу на інші молекули,

що діють як акцептори водню,

і звісно, як

акцептори електронів.