Fotosyntéza

Vysvětlení fotosyntézy Hankem Greenem. Video ze série Crash course biology.

Fotosyntéza!

Není to žádný vědecký abstraktní pojem.

Byli bychom mrtví, nebýt rostlin a
jejich kouzelné nevědecké schopnosti

přeměnit sluneční světlo,
oxid uhličitý a vodu na glukózu

a čistý, lahodný kyslík.

Toto se děje jedině během fotosyntézy,

procesu, který se vyvinul
před 450 miliony roky

a ve skutečnosti je dost hrozný.

Je komplikovaný, neefektivní a matoucí,

ale chcete mít
lepší a širší ponětí

o našem světě, nebo spíše

chcete mít lepší výsledky v testech.

Tak se na to vrhneme.

(energetická hudba)

Fotosyntézu tvoří dvě fáze,

světelná fáze a temnostní fáze

a vám už je patrný jasný rozdíl
mezi těmi dvěmi,

tak to je hezké.

Temnostní fází nazýváme Calvinův cyklus.

Ne,

ne ne,

ne,

ne.

ano!

Tohoto Calvina.

Fotosyntéza je vlastně dýchání pozpátku

a dýchání jsme již probrali.

Takže buď můžete shlédnout
předchozí video pozpátku,

nebo můžete dokoukat toto.

Každopádně už jsem zmínil,
co je třeba, aby fotosyntéza proběhla:

vodu, oxid uhličitý a sluněční světlo.

A jak je vlastně rostlina získá?

Nejprve voda. Předpokládejme,
že mluvíme o cévnaté rostlině,

takové, jejíž trubkovité tkáně
vedou vodu,

minerály a jiné látky

do různých částí rostliny.

Jsou to třeba stromy,
traviny a květiny.

Rostliny vstřebávají vodu pomocí kořenů

a vedou ji do listů
pletivem zvaným xylém.

Oxid uhličitý se dostane dovnitř
a kyslík ven malými otvory

v listu, které nazýváme stomata.

Překvapivě je důležité,

aby rostliny udržovaly nízkou
hladinu kyslíku v listech,

a důvody si vysvětlíme později.

A nakonec jednotlivé fotony
ze Slunce jsou v rostlině absorbovány

pigmentem zvaným chlorofyl.

Vzpomínáte si
na rostlinné buňky?

Pokud ne, můžete se podívat na video,

kde jsme si povídali
o rostlinných buňkách.

Jedna věc, kterou rostlinná buňka má
na rozdíl od buňky živočišné,

jsou plastidy a jaký je
nejdůležitější plastid?

Chloroplast, který není
jen velký váček chlorofylu,

ačkoliv tak bývá občas znázorněn.

Má komplikovanou vnitřní strukturu.

Chlorofyl je ukryt v membránových
váčcích zvaných tylakoidy

a tylakoidy jsou naskládány v grana.

Uvnitř tylakoidů je lumen a
na vnější straně tylakoidů,

ale stále uvnitř chloroplastů, je stroma.

Membrána tylakoidů
je fosfolipidová dvojvrstva,

která, pokud si pamatujete, velmi dobře

udržuje koncentrační gradienty
iontů, proteinů a dalších látek.

To znamená udržování větší koncentrace
na jedné straně

než na druhé straně membrány.

Tohle budete potřebovat vědět.

Omlouvám se.

Když máme za sebou malou
prohlídku chloroplastů,

podíváme se na vlastní chemii.

První, co se děje.

Foton vytvořený při termojaderné fúzi
v jádru Slunce,

jde zrovna ukončit svou 150 milionů
kilometrů dlouhou cestu

nárazem do molekuly chlorofylu.

Toto začne fázi jedna,

světelné reakce dokazující,
že ano skoro,

celý život na naší planetě

je poháněn syntézami

Když je chlorofyl udeřen
fotonem,

elektron absorbuje tu energii
a je excitovaný.

To je pojem pro to,

když elektron získá energii

a nemá kam ji uložit.

A když to udělá foton,
je to fotoexcitace.

Ale zkusme si přestavit,
jen na moment,

že každý foton je
pohledný mladý muž.

Dvanáctileté dívky jsou
jím posedlé

a elektrony jsou
dvanáctileté dívky,

Tím trikem, celkovým trikem
fotosyntézy

je přeměna energie, těch
12-letých, teda elektronů,

na něco,
co je rostlina schopna použít.

Budeme o tomto mluvit
doslova celý zbytek videa.

Doufám, že vám to nevadí.

Tak zaprvé, chlorofyl tu není sám.

Je součástí neuvěřitelně složitých komplexů
proteinů a lipidů a jiných molekul,

pojmenovaných fotosystém II,
který obsahuje

skoro 99 různých chemikálií,

Včetně přes 30 jednotlivých
chlorofylových molekul.

Toto je první ze 4
proteinových komplexů,

které rostliny potřebují

pro světelné reakce.

A jestli si myslíte,
že to je složité,

že říkáme 1. komplexnímu fotosytému 2
místo "fotosystém 1"

tak mu můžete říkat,
jeho celým názvem,

plastochinonová oxoreduktáza.

No né, nechcete jej takto nazývat?

Tak teda fotosystém II.

Anebo, zkráceně, FS II.

FS II a všechny proteinové komplexy
v světelných reakcí,

obklopují membrány
thylakoidů a chloroplastů.

Teď, excitovaný elektron odejde na cestu
vytvořenou tak, aby

byla spotřebována celá jeho energie

a přeměna na užitečné věci.

Tomuto se říká elektronový transportní
řetězec,

ve kterém excitované elektrony ztratí
svou energii v sérii reakcí,

které zachytí energy, potřebnou na
udržení života.

Takže chlorofyl z FS II je teď tak
natěšený,

že když specifický protein, specializovaný

aby elektrony kradl, se objeví,
ten elektron seskočí

z chlorofylní molekuly, na ten protein,

kterému se říká mobilní přenašeč
elektronů,

protože to je mobilní přenašeč
elektronů.

Chlorofyl se následně lekne, jako matka

které byla její dvanáctiletá dcera unesena
jakýmsi idolem všech dívek

a říká si: Co teď udělám abych tento
problém vyřešila?

A poté, pomocí celého FS II

udělá něco neuvěřitelné a důležité, že
tomu nemohu uvěřit,

že se to děje každý den,

rozdělí ultra stabilní molekulu vody,
ukradne jeden z jejich elektronů

aby nahradila svůj ztracený.

Vedlejší produkty rozdělení vody,
vodíkové ionty,

jsou pouze jednotlivé protony a kyslík,

Sladký, slaďoučký kyslík.

Tato reakce, přátelé, je proč jsme
schopni dýchat.

Malá odbočka.

Až vám někdo znovu řekne, že nemá rád,

když jsou chemikálie v jejich jídle

připomeňte mu prosím, že všechen život,
je z chemikálií různého druhu

a ať přestane předstírat,

že slovo chemikálie je nějak synonymum
pro karcinogenní látku.

Protože, představte si, jak se cítí,
chlorofyl, když toto říkáte.

dává celý svůj čas a energii
na vytvoření dýchatelného vzduchu

a my říkáme: "Fuuuj, chemikálie jsou
tak nechutný."

Takže, pamatujte si, energií nabité
elektrony z FS II jsou vyzvednuty

elektronovými přenašeči a jsou
transportovány

na druhý proteinový komplex,
komplex cytochromů.

Tento človíček dělá dvě věci.

Za prvé, slouží jako spojka mezi
FS II a FS I

a za druhé, využívá trochu energie
z elektronu

aby načerpal další proton na tylakoidy.

Poté se tylakoidy začnou plnit protony.

Vytvořili jsme trochu skrz rozdělení
vody

a posunuly jsme další z komplexu
cytochromů

Ale proč toto děláme?

No, jednoduše, nabíjíme thylakoid jako
baterii.

Skrz čerpaní protonů na thylakoid,
vytváříme koncentrační gradient.

Protony se přirozeně chtějí od sebe
dostat

a proto si prostrčí cestu skrz enzym,

obklopující membránu thylakoidů nazvanou
ATP syntáze,

a ten enzym využije tu energii,

aby zabalil anorganický fosfát do ADP,
vytvářející ATP,

velkého otce buněčné energie.

Všechen tento pohyb podél elektronového
dopravního řetězce potřebuje energii

a jak jistě očekáváte, elektrony
se dostávají do nižších

a nižších energetických stavů během
našeho povídání.

Toto vše dává smysl, když se nad
tím zamyslíte.

Už je to dlouho co nás fotony udeřily,

a my jsme pumpovali vodíkové ionty
abychom vytvořili ATP a rozdělovali vodu

a skákali na jiné molekuly

a já jsem unavený jenom o tom mluvím.

Naštěstí, po 450 miliónů let evoluce,

získá náš elektron znovu energii
při doporučení do FS I.

Takže, FS I je podobný mix proteinů
a chlorofylových molekul,

jako jsme viděli v FS II, ale s
trochu jinými produkty.

Až pár fotonů
znovu excituje pár elektronů,

elektrony seskočí a svezou se
dalším elektronovým přenašečem.

Ale tentokrát

se všechna ta energie využije na tvorbu
NADPH,

která stejně jako ATP,
existuje pouze na přenos energie.

Zde pomůže další enzym kombinovat
dva elektrony

a jeden vodíkový iont s něčím malým
čemu říkáme NADP+.

A jak si můžete pamatovat z našeho
posledního videa o respiraci

to jsou jakýsi vzdálení bratranci vitamínu
B,

kteří jsou sakra důležití pro přeměnu
energie.

Ve fotosyntéze je to NADP+ a když
si vezme ty dva elektrony

a jeden vodíkový iont, změní se na NADPH.

Takže, teď nám po všech těch světelných
reakcích zbyla,

chemická energie ve formě ATP a NADPH.

A ovšem že nesmíme zapomenout na
nejužitečnější, ale taky na nic vedlejší produkt

v historii zbytečný vedlejších produktů,
kyslík.

Tak a teď jestli někdo potřebuje na záchod,
teď je na to nejlepší čas

anebo jestli se chcete znovu kouknout
na docela dlouhé a složité

světelné reakce, běžte a udělejte to.

Není to lehké, a už to lehčí nebude.

Protože teď se posouváme na Calvinův
cyklus!

Calvinovu cyklu se někdy říká temnostní
fáze,

což je trochu nesprávný název,

protože obecně neprobíhá ve tmě.

Calvinův cyklus probíhá, spolu se zbytkem
reakcí, ve dne,

ale nepotřebuje energii z fotonů.

Takže je správné říkat reakce nezávislé
na světle

nebo jestli jste líní, tak tomu říkejte
sekundární děje.

Sekundární děje využívají energii z ATP
a NADPH,

které jsme vytvořili ve fázi 1, aby
vytvořili něco,

co je pro rostlinu vlastně užitečné.

Cavinův cyklus začíná ve stromatu, nebo
v prázdných místech v

chloroplastech, jestli si to
pamatujete správně.

Tato fáze se nazývá karboxylace

protože, ano, dojde k fixaci molekuly
oxidu uhličitého

Na začátek, ribulóza bisfosfát nebo RuBP,

která je vždycky někdo ve chloroplastu,

protože nejenom, že je to začátek,
Calvinova cyklu,

je to také závěřečný bod, to je proč je to
cyklus.

CO2 je připevněn k RuBP pomocí enzymu
ribulóza-1,5-bisfosfát-

karboxyláza/oxygenáza, který se zkracuje
na enzym RuBisCO.

(hudba piana)

Jsem zase v této židli, skvěle.

Je čas na biolo - grafii RuBisCO.

Jedno byl jednobuněčný organismu,
a řekl si:

"Safra, potřebuje víc uhlíku, abych
mohl vytvořit víc sebe."

"Abych mohl ovládnout celý svět."

Naštěstí, pro tento malý organismus,
bylo hodně CO2 v atmosféře,

a tak se stalo, že se vyvinul enzym,
který je schopen hltat CO2

a přeměnit anorganický uhlík na
organický uhlík.

Tento enzym se jmenoval RuBisCO

a nebyl nějak převratně dobrý ve své
práci,

ale byl daleko lepší než pouze doufat,
že narazíme na nějaký

chemicky vytvořený organický uhlík.

A tak toho ten organismus vytvořil strašně moc,
aby vynahradil jak v tom byl špatný.

A nejenom, že ovládl malé rostlinky,

ale i celému světu to vyhovovalo.

Rychle se z něj stala
dominantní forma života.

Pomalu, skrz další reakce závislé na
světle,

rostliny zvýšily obsah kyslíku v
atmosféře.

RuBisCO, vytvořený ve světě s malým
množstvím kyslíku v atmosféře,

začal být zmatený.

V polovině případů, začalo RuBisCO
rozkrajovat

ribulózu bisfosfát s kyslíkem a ne s CO2,

vytvářející toxický vedlejší produkt,
s kterým si rostliny musely

kreativně a speciálně poradit.

Tento vedlejší produkt se nazývá
fosfoglycerát

a ovlivňuje enzymatické funkce,
které jsou i v Calvinově cyklu.

Takže rostliny musí vyrobit další
enzymy, aby jej rozložily

na aminokyseliny, glycin a další
sloučeniny,

které jsou použitelné v Calvinově cyklu.

Ale rostliny vsadily vše na
RuBisCO

a do dnes ho musí vyrobit
velké množství

a vědci odhadují, že v jakýkoliv čas

je na planetě asi 40 miliard tun RuBisCO

a rostliny se musí vyrovnat
s tím toxickým vedlejším produktem.

Další příklad, přátelé,

hloupého designu.

Zpátky k cyklu.

Takže, ribulóza bisfosfátu dostane CO2

a hned, je ta celá věc strašně nestabilní.

Jediný způsob, jak navrátit stabilitu, je
aby se tento šesti-uhlíkový řetězec rozpadl,

a vytvořil dvě molekuly
3-fosfoglycerátu

a toto jsou první stabilní produkty v
Calvinově cyklu.

Pro důvody, kterým budete za
chvíli rozumět,

jdeme toto udělat třem molekulám RuBP.

Teď, se dostáváme do 2. fáze, redukce.

Zde potřebujeme energii.

Trocha ATP se dostane do fosfátové
skupiny na 3-fosfoglycerát

a poté NADPH dá trochu elektronů na to
a tadááá!

Máme dvě molekuly glyceraldehyd-3-fosfátu
neboli G3P.

Toto je tří uhlíková sloučenina s vysokou
energií,

kterou rostliny mění na jakýkoliv
karbohydrát

jako je glukóza pro krátkodobou zásobu
energie,

celulózu na strukturu, škrob na dlouho
dobou zásobu

a kvůli tomuto, je G3P považován za
ultimátní produkt fotosyntézy.

No, toto, ale bohužel není konec.

Potřebujeme 5 G3P abychom regenerovali
ty 3 RuBP,

kterými jsme začali.

Také potřebujeme 9 molekul ATP a 6
molekul NADPH.

Takže, se všemi těmito chemickými reakcemi,
a chemickou energií,

můžeme změnit 3 RuBP na 6 G3P, ale
pouze 1

z těch G3P odejde z Calvinova cyklu.

Ostatní G3P, ovšem, musí být regenerovány

na ty 3 originální ribulózy bisfosfátu.

Tato regenerace je poslední fáze Calvinova
cyklu.

A to je, jak rostlina změní sluneční svit,
vodu a CO2

na všechny živý věci, s kterými
jste kdy mluvili,

hráli, lezli po nich, milovali, nesnášeli
anebo jedli.

To není vůbec špatné, rostliny.