У посети највећој фабрици на свету

Које речи везујете за небо? И како то да ниједна од њих није отров?

Не, ово није прича о загађењу ваздуха. Данас је главни јунак кисеоник, онај без којег је немогуће замислити живот. Међутим, у времену у којем живот и даље постоји само у води, Земљину атмосферу тек постепено испуњава овај реактивни гас без боје и мириса. Испоставља се да је опасан по организме који насељавају плаву планету. Наиме, због својих хемијских особина, кисеоник има могућност раскидања веза у другим молекулима, чиме настају реактивне кисеоничне врсте – слободни радикали кисеоника. Ова једињења су изузетно нестабилна и реаговаће чак и са биомолекулима, оштећујући на крају и саму ДНК. Дакле, кисеоник је препрека коју је потребно прећи уколико желите да живите на копну, па организми који су отпорнији на оксидативни стрес имају велику еволутивну предност. Али како је та препрека уопште настала, откуд кисеоник у толиким количинама у атмосфери?

Представљамо вам највећу фабрику на свету – хлоропласт, пречника 4-6 микрометара. Ако мислите да то и није нека величина, покушајте да израчунате укупну дужину коју бисте добили ако поређате све хлоропласте на свету у један ред. Имајући у виду да у просечној фотосинтетичкој ћелији биљке постоји око 100 хлоропласта, већ можемо претпоставити да је стварна величина фабрике кисеоника несагледива.

У нашој фотосинтетичкој фабрици нема покретних трака нити уморних радника, већ је присутна сложена молекуларна машина која омогућава живот свим аеробним организмима на земљи. Фотосинтеза, главни производни процес ове фабрике, главни је кривац за промене које су настале на Земљи од тренутка када је живот настао до тренутка када је њоме ходало прво људско биће.

Како бисмо боље разумели како фотосинтетичка фабрика ради, пратићемо кретање њених сировина – све почиње од светлосне енергије пореклом од Сунца. Када бела светлост (која садржи све таласне дужине видљивог дела спектра) доспе до листова, они ће пропустити оне зраке светлости чија таласна дужина одговара ономе што ми видимо као зелену боју (зато су и листови зелени). Плави и црвени зраци, међутим, биће упијени и постаће извор енергије за почетак фотосинтезе. Шта се ту заправо дешава?

У сваком хлоропласту постоји велики број молекула хлорофила, пигмента који даје листовима боју. Ови молекули организовани су у два; „пакета” на унутрашњој мембрани хлоропласта (фотосистеми 1 и 2), главне соларне колекторе биљне ћелије. Светлосна енергија коју хлорофилу доносе фотони преноси се на електроне у молекулу хлорофила, што те електроне ексцитује тј. доводи на виши енергетски ниво. Ексцитовани електрони су нестабилни, па се зато преносе на акцепторе (једињења која имају афинитет ка пријему електрона). Низ акцептора који постоји на унутрашњој мембрани хлоропласта назива се електрон-транспортни ланац. На крају електрон-транспортног ланца налази се крајњи акцептор електрона – коензим који ће енергију потребну за наредну фазу фотосинтезе у виду електрона пренети даље. У исто време, пренос електрона користи се као извор енергије за нагомилавање водоникових јона са унутрашње стране мембране, што ствара велики електрохемијски потенцијал. Ови јони теже да пређу на другу страну мембране где је „мања гужва”, при чему је једини начин да то ураде пролазак кроз унутрашњи део ензима АТП-азе. Овај ензим користи енергију проласка јона да, у процесу који се назива фотофосфорилација, створи АТП (аденозин-трифосфат), молекул богат хемијском енергијом. Међутим, ако је ово цео процес трансформације светлосне енергије у хемијску, зашто постоје два фотосистема?

Одговор лежи у следећем – након што отпусти електрон, хлорофил у фотосистему 1 се оксидује. То значи да му под тим условима недостаје електрон, онај који је предао првом акцептору у ланцу. Фотосистем 1 ће онда, како би надоместио оно што је изгубио, „позајмити” електрон од фотосистема 2 путем другог електрон-транспортног ланца. Тако хлорофил у фотосистему 2 остаје без свог електрона, па га набавља из воде. Овај процес се назива фотолиза – енергија фотона „цепа” воду на 3 компоненте – водоникове јоне, који се везују за редуковани коензим, електроне које преузима хлорофил и елементарни кисеоник – први значајан производ фотосинтетичке фабрике.

Оно што нам на крају овог дела процеса преостаје су споредни производи (редуковани коензим, АТП) и неискоришћен тип ресурса (угљен-диоксид), који су главне полазне компоненте следеће фазе – Калвиновог циклуса. На почетку ове фазе се угљен-диоксид из ваздуха фиксира за једињење по имену рибулоза-1,5-бифосфат, у процесу који се назива карбоксилација. Ово је могуће захваљујући ензиму који се зове рубиско (енг. Rubisco), а за који се сматра да је један од најраспрострањенијих у природи. Добијено једињење је нестабилно и одмах по наставку се распада на 2 молекула фосфоглицеринске киселине. Овом једињењу се затим додаје фосфатна група пореклом од АТП која му доноси додатну енергију. Затим се оно редукује преносом електрона са коензима. Од молекула насталих на тај начин, један атом угљеника ће се уградити у шећер који се синтетише а преостали употребити за регенерацију рибулоза-1,5-бифосфата, чиме се циклус поново доводи у почетно стање. Потребно је да се циклус понови 6 пута како би се синтетисао један молекул глукозе од 6 угљеникових атома, други производ фотосинтетичке фабрике.

Дакле, фотосинтеза није само угљен-диоксид + вода -> шећер + кисеоник. Фотосинтеза је много више, скуп невероватно комплексних молекуларних машина које заједно чине мале соларне електране, електране које су у стању да снабдевају целу планету ониме што је потребно њеним малим и великим становницима. Хајде да учинимо све што можемо – хајде да не затварамо фабрике које савршено добро раде.

Извор: Екоблог