Proces fotosinteze: kratko i razumljivo za djecu. Fotosinteza: svijetla i tamna faza. Gdje se odvija svjetlosna faza fotosinteze? Tijekom svjetlosne faze fotosinteze dolazi do formiranja.

Pitanje 1. Koliko se glukoze sintetizira tijekom fotosinteze za svakog od 4 milijarde stanovnika Zemlje godišnje?
Ako uzmemo u obzir da godišnje sva vegetacija planeta proizvede oko 130 000 milijuna tona šećera, tada na jednog stanovnika Zemlje (pod pretpostavkom da je populacija Zemlje 4 milijarde stanovnika) dolazi 32,5 milijuna tona (130 000/4 = 32,5 ) .

Pitanje 2. Odakle dolazi kisik koji se oslobađa tijekom fotosinteze?
Kisik koji ulazi u atmosferu tijekom procesa fotosinteze nastaje tijekom reakcije fotolize - razgradnje vode pod utjecajem energije sunčeve svjetlosti (2H 2 O + svjetlosna energija = 2H 2 + O 2).

Pitanje 3. Koje je značenje svjetlosne faze fotosinteze; tamna faza?
Fotosinteza je proces sinteze organska tvar od anorganskih pod utjecajem energije sunčeve svjetlosti.
Fotosinteza u biljnim stanicama odvija se u kloroplastima. Ukupna formula:
6CO 2 + 6H 2 O + svjetlosna energija = C 6 H 12 O 6 + 6O 2.
Lagana faza fotosinteza se odvija samo na svjetlu: kvant svjetla izbacuje elektron iz molekule klorofila koja leži u tilakoidnoj membrani.; izbačeni elektron se ili vraća natrag ili završava u lancu enzima koji međusobno oksidiraju. Lanac enzima prenosi elektron na vanjsku stranu tilakoidne membrane do transportera elektrona. Membrana je izvana negativno nabijena. Pozitivno nabijena molekula klorofila koja se nalazi u središtu membrane oksidira enzime koji sadrže ione mangana koji se nalaze na unutarnjoj strani membrane. Ovi enzimi sudjeluju u reakcijama fotolize vode, što rezultira stvaranjem H +; Protoni vodika otpuštaju se na unutarnju površinu tilakoidne membrane, a na toj se površini pojavljuje pozitivan naboj. Kada razlika potencijala preko tilakoidne membrane dosegne 200 mV, protoni počinju teći kroz kanal ATP sintetaze. Sintetizira se ATP.
U tamnoj fazi glukoza se sintetizira iz CO 2 i atomskog vodika vezanog za nosače pomoću energije ATP.Sinteza glukoze odvija se u stromi kloroplasta pomoću enzimskih sustava. Ukupna reakcija tamne faze:
6CO2 + 24H = C6H12O6 + 6H20.
Fotosinteza je vrlo produktivna, ali kloroplasti lista hvataju samo 1 kvant svjetlosti od 10 000 da bi sudjelovali u tom procesu. Ipak, to je dovoljno za zelena biljka mogao sintetizirati 1 g glukoze na sat s površine lišća površine 1 m 2.

Pitanje 4. Zašto je višim biljkama potrebna prisutnost kemosintetskih bakterija u tlu?
Biljke za normalan rast i razvoj trebaju mineralne soli koje sadrže elemente kao što su dušik, fosfor i kalij. Mnoge vrste bakterija sposobne su sintetizirati potrebne organski spojevi od anorganskih, zbog energije kemijskih oksidacijskih reakcija koje se odvijaju u stanici, pripadaju kemotrofima. Tvari koje je uhvatila bakterija se oksidiraju, a dobivena energija se koristi za sintezu složenih organskih molekula iz CO 2 i H 2 O. Taj se proces naziva kemosinteza.
Najvažnija skupina kemosintetskih organizama su nitrifikacijske bakterije. Istražujući ih, S.N. Winogradsky je otkrio proces 1887 kemosinteza. Nitrifikacijske bakterije koje žive u tlu oksidiraju amonijak, nastao tijekom raspadanja organskih ostataka, u dušikastu kiselinu:
2MN3 + ZO2 = 2HNO2 + 2H2O + 635 kJ.
Tada bakterije drugih vrsta ove skupine oksidiraju dušična kiselina na dušik:
2HNO2 + O2 = 2HNO3 + 151,1 kJ.
U interakciji s mineralima tla, dušična i dušična kiselina stvaraju soli, koje su najvažnije komponente mineralne prehrane viših biljaka. Pod utjecajem drugih vrsta bakterija u tlu nastaju fosfati koje koriste i više biljke.
Tako, kemosinteza je proces sinteze organskih tvari iz anorganskih pomoću energije kemijskih oksidacijskih reakcija koje se odvijaju u stanici.

- sinteza organskih tvari iz ugljičnog dioksida i vode uz obvezno korištenje svjetlosne energije:

6CO 2 + 6H 2 O + Q svjetlo → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

Kod viših biljaka organ fotosinteze je list, a organele fotosinteze su kloroplasti (građa kloroplasta – predavanje br. 7). Membrane kloroplastnih tilakoida sadrže fotosintetske pigmente: klorofile i karotenoide. Postoji nekoliko različitih vrsta klorofila ( a, b, c, d), glavni je klorofil a. U molekuli klorofila može se razlikovati porfirinska "glava" s atomom magnezija u središtu i fitolni "rep". Porfirinska "glava" je ravna struktura, hidrofilna je i stoga leži na površini membrane koja je okrenuta prema vodenom okolišu strome. Fitolni “rep” je hidrofoban i zbog toga zadržava molekulu klorofila u membrani.

Klorofili apsorbiraju crvenu i plavoljubičastu svjetlost, reflektiraju zelenu svjetlost i stoga biljkama daju karakterističnu zelenu boju. Molekule klorofila u tilakoidnim membranama organizirane su u fotosustavi. Biljke i modrozelene alge imaju fotosustav-1 i fotosustav-2, dok fotosintetske bakterije imaju fotosustav-1. Samo fotosustav-2 može razgraditi vodu kako bi oslobodio kisik i uzeo elektrone iz vodika vode.

Fotosinteza je složen proces u više koraka; reakcije fotosinteze dijele se u dvije skupine: reakcije svjetlosna faza i reakcije tamna faza.

Lagana faza

Ova faza se događa samo uz prisutnost svjetla u tilakoidnim membranama uz sudjelovanje klorofila, proteina za prijenos elektrona i enzima ATP sintetaze. Pod utjecajem kvanta svjetlosti, elektroni klorofila se pobuđuju, napuštaju molekulu i ulaze u vanjsku stranu tilakoidne membrane, koja u konačnici postaje negativno nabijena. Oksidirane molekule klorofila se reduciraju, uzimajući elektrone iz vode koja se nalazi u intratilakoidnom prostoru. To dovodi do razgradnje ili fotolize vode:

H 2 O + Q svjetlo → H + + OH - .

Hidroksilni ioni odustaju od svojih elektrona, postajući reaktivni radikali.OH:

OH - → .OH + e - .

OH radikali spajaju se u vodu i slobodni kisik:

4BR. → 2H 2 O + O 2.

U ovom slučaju, kisik se uklanja u vanjsko okruženje, a protoni se nakupljaju unutar tilakoida u "spremniku protona". Kao rezultat toga, tilakoidna membrana, s jedne strane, nabijena je pozitivno zbog H +, a s druge strane, zbog elektrona, nabijena je negativno. Kada razlika potencijala između vanjske i unutarnje strane tilakoidne membrane dosegne 200 mV, protoni se guraju kroz kanale ATP sintetaze i ADP se fosforilira u ATP; Atomski vodik koristi se za obnavljanje specifičnog nosača NADP + (nikotinamid adenin dinukleotid fosfat) u NADPH 2:

2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.

Tako tijekom svjetlosne faze dolazi do fotolize vode koju prate tri najvažnije procese: 1) sinteza ATP-a; 2) stvaranje NADPH 2; 3) stvaranje kisika. Kisik difundira u atmosferu, ATP i NADPH 2 transportiraju se u stromu kloroplasta i sudjeluju u procesima tamne faze.

1 - stroma kloroplasta; 2 - grana tilakoid.

Tamna faza

Ova faza se događa u stromi kloroplasta. Njegove reakcije ne zahtijevaju svjetlosnu energiju, pa se ne odvijaju samo na svjetlu, već iu mraku. Reakcije tamne faze su lanac uzastopnih transformacija ugljičnog dioksida (koji dolazi iz zraka), što dovodi do stvaranja glukoze i drugih organskih tvari.

Prva reakcija u ovom lancu je fiksacija ugljičnog dioksida; Akceptor ugljičnog dioksida je šećer s pet ugljika. ribuloza bifosfat(RiBF); enzim katalizira reakciju Ribuloza bifosfat karboksilaza(RiBP karboksilaza). Kao rezultat karboksilacije ribuloza bisfosfata nastaje nestabilni spoj sa šest ugljikovih atoma koji se odmah raspada u dvije molekule fosfoglicerinska kiselina(FGK). Tada se odvija ciklus reakcija u kojima se fosfoglicerinska kiselina pretvara kroz niz međuprodukata u glukozu. Ove reakcije koriste energiju ATP-a i NADPH 2 nastale u svjetlosnoj fazi; Ciklus ovih reakcija naziva se "Calvinov ciklus":

6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.

Osim glukoze, tijekom fotosinteze nastaju i drugi monomeri složenih organskih spojeva - aminokiseline, glicerol i masne kiseline, nukleotidi. Trenutno postoje dvije vrste fotosinteze: C 3 - i C 4 fotosinteza.

C 3-fotosinteza

Ovo je vrsta fotosinteze u kojoj su prvi proizvod spojevi s tri ugljika (C3). C 3 fotosinteza je otkrivena prije C 4 fotosinteze (M. Calvin). To je C 3 fotosinteza koja je opisana gore, pod naslovom "Tamna faza". Karakteristične značajke fotosinteze C 3: 1) akceptor ugljičnog dioksida je RiBP, 2) reakciju karboksilacije RiBP katalizira RiBP karboksilaza, 3) kao rezultat karboksilacije RiBP nastaje spoj sa šest ugljika, koji se razlaže na dva PGA. FGK se vraća na trioza fosfati(TF). Dio TF-a koristi se za regeneraciju RiBP-a, a dio se pretvara u glukozu.

1 - kloroplast; 2 - peroksisom; 3 - mitohondrije.

Ovo je apsorpcija kisika i oslobađanje ugljičnog dioksida ovisna o svjetlosti. Početkom prošlog stoljeća utvrđeno je da kisik potiskuje fotosintezu. Kako se pokazalo, za RiBP karboksilazu supstrat može biti ne samo ugljični dioksid, već i kisik:

O 2 + RiBP → fosfoglikolat (2C) + PGA (3C).

Enzim se zove RiBP oksigenaza. Kisik je kompetitivni inhibitor fiksacije ugljičnog dioksida. Fosfatna skupina se odvaja i fosfoglikolat postaje glikolat, koji biljka mora iskoristiti. Ulazi u peroksisome, gdje se oksidira u glicin. Glicin ulazi u mitohondrije, gdje se oksidira u serin, uz gubitak već vezanog ugljika u obliku CO2. Kao rezultat, dvije molekule glikolata (2C + 2C) se pretvaraju u jednu PGA (3C) i CO 2. Fotorespiracija dovodi do smanjenja prinosa C3 biljaka za 30-40% ( Sa 3 biljke- biljke karakterizirane C 3 fotosintezom).

C 4 fotosinteza je fotosinteza u kojoj su prvi produkt spojevi s četiri ugljika (C 4). Godine 1965. ustanovljeno je da su kod nekih biljaka (šećerna trska, kukuruz, sirak, proso) prvi produkti fotosinteze četverougljikove kiseline. Te su se biljke zvale Sa 4 biljke. Godine 1966. australski znanstvenici Hatch i Slack pokazali su da C4 biljke praktički nemaju fotorespiraciju i puno učinkovitije apsorbiraju ugljični dioksid. Put transformacije ugljika u C 4 biljkama počeo se nazivati od Hatch-Slacka.

C 4 biljke karakterizira posebna anatomska građa lista. Svi vaskularni snopovi okruženi su dvostrukim slojem stanica: vanjski sloj su stanice mezofila, unutarnji sloj su stanice ovojnice. Ugljični dioksid je fiksiran u citoplazmi mezofilnih stanica, akceptor je fosfoenolpiruvat(PEP, 3C), kao rezultat karboksilacije PEP-a nastaje oksaloacetat (4C). Proces je kataliziran PEP karboksilaza. Za razliku od RiBP karboksilaze, PEP karboksilaza ima veći afinitet za CO 2 i, što je najvažnije, ne stupa u interakciju s O 2 . Kloroplasti mezofila imaju mnogo zrna u kojima se aktivno odvijaju reakcije svjetlosne faze. Reakcije tamne faze odvijaju se u kloroplastima stanica ovojnice.

Oksaloacetat (4C) se pretvara u malat, koji se transportira kroz plazmodezmate u stanice omotača. Ovdje se dekarboksilira i dehidrogenira da nastane piruvat, CO 2 i NADPH 2 .

Piruvat se vraća u stanice mezofila i regenerira pomoću energije ATP-a u PEP-u. CO 2 se ponovno fiksira RiBP karboksilazom da nastane PGA. Za regeneraciju PEP-a potrebna je energija ATP-a, pa je potrebno gotovo dvostruko više energije nego fotosinteza C 3 .

Značenje fotosinteze

Zahvaljujući fotosintezi, milijarde tona ugljičnog dioksida se apsorbiraju iz atmosfere svake godine i oslobađaju se milijarde tona kisika; fotosinteza je glavni izvor stvaranja organskih tvari. Kisik tvori ozonski omotač koji štiti žive organizme od kratkovalnog ultraljubičastog zračenja.

Tijekom fotosinteze, zeleni list koristi samo oko 1% sunčeve energije koja pada na njega; produktivnost je oko 1 g organske tvari po 1 m2 površine na sat.

Kemosinteza

Sinteza organskih spojeva iz ugljičnog dioksida i vode, koja se ne provodi zbog svjetlosne energije, već zbog energije oksidacije anorganske tvari, nazvao kemosinteza. Kemosintetski organizmi uključuju neke vrste bakterija.

Nitrifikacijske bakterije amonijak se oksidira u nitratnu, a zatim u dušičnu kiselinu (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

Željezne bakterije pretvaraju fero željezo u oksid željeza (Fe 2+ → Fe 3+).

Sumporne bakterije oksidirati vodikov sulfid u sumpor ili sumpornu kiselinu (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

Kao rezultat oksidacijskih reakcija anorganskih tvari oslobađa se energija koju bakterije pohranjuju u obliku visokoenergetskih ATP veza. ATP se koristi za sintezu organskih tvari, koja se odvija slično reakcijama tamne faze fotosinteze.

Kemosintetske bakterije pridonose nakupljanju minerala u tlu, poboljšavaju plodnost tla i potiču čišćenje Otpadne vode i tako dalje.

Ići predavanja br.11“Pojam metabolizma. Biosinteza proteina"

Ići predavanja br.13“Metode diobe eukariotskih stanica: mitoza, mejoza, amitoza”

Tema 3 Faze fotosinteze

Odjeljak 3. Fotosinteza

1. Svjetlosna faza fotosinteze

2. Fotosintetska fosforilacija

3.Načini fiksacije CO 2 tijekom fotosinteze

4. Fotodisanje

Bit svjetlosne faze fotosinteze je apsorpcija energije zračenja i njezina transformacija u asimilativnu silu (ATP i NADP-H), potrebnu za redukciju ugljika u tamnim reakcijama. Složenost procesa pretvaranja svjetlosne energije u kemijsku zahtijeva njihovu strogu membransku organizaciju. Svjetlosna faza fotosinteze odvija se u grani kloroplasta.

Dakle, fotosintetska membrana provodi vrlo važnu reakciju: pretvara energiju apsorbiranih svjetlosnih kvanta u redoks potencijal NADP-H iu potencijal reakcije prijenosa fosforilne skupine u molekuli ATP-a. energija se pretvara iz vrlo kratkotrajnog oblika u prilično dugotrajni oblik. Stabilizirana energija kasnije se može koristiti u biokemijskim reakcijama biljna stanica, uključujući u reakcijama koje dovode do smanjenja ugljičnog dioksida.

Pet glavnih polipeptidnih kompleksa ugrađeno je u unutarnje membrane kloroplasta: kompleks fotosustava I (PSI), kompleks fotosustava II (PSII), kompleks sakupljanja svjetla II (LHCII), kompleks citokroma b 6 f I ATP sintaza (CF 0 – CF 1 kompleks). Kompleksi PSI, PSII i CCKII sadrže pigmente (klorofile, karotenoide), od kojih većina funkcionira kao pigmenti antene koji prikupljaju energiju za pigmente reakcijskih centara PSI i PSII. PSI i PSII kompleksa, kao i citokroma b 6 f-kompleks sadrži redoks kofaktore i sudjeluje u fotosintetskom transportu elektrona. Proteini ovih kompleksa odlikuju se visokim sadržajem hidrofobnih aminokiselina, što osigurava njihovu integraciju u membranu. ATP sintaza ( CF 0 – CF 1-kompleks) vrši sintezu ATP-a. Osim velikih polipeptidnih kompleksa, tilakoidne membrane sadrže male proteinske komponente - plastocijanin, feredoksin I feredoksin-NADP oksidoreduktaza, koji se nalazi na površini membrana. Oni su dio transportnog sustava elektrona fotosinteze.

U svjetlosnom ciklusu fotosinteze odvijaju se sljedeći procesi: 1) fotoekscitacija fotosintetskih molekula pigmenta; 2) migracija energije od antene do reakcijskog centra; 3) fotooksidacija molekule vode i oslobađanje kisika; 4) fotoredukcija NADP u NADP-H; 5) fotosintetska fosforilacija, stvaranje ATP-a.

Pigmenti kloroplasta spajaju se u funkcionalne komplekse – pigmentne sustave, u kojima je reakcijsko središte klorofil A, Provodeći fotosenzibilizaciju, povezan je procesima prijenosa energije s antenom koja se sastoji od pigmenata koji skupljaju svjetlost. Suvremena shema fotosinteze kod viših biljaka uključuje dvije fotokemijske reakcije koje se provode uz sudjelovanje dvaju različitih fotosustava. Pretpostavku o njihovom postojanju iznio je R. Emerson 1957. godine na temelju efekta koji je otkrio kod pojačavanja djelovanja dugovalne crvene svjetlosti (700 nm) kombiniranim osvjetljavanjem s kratkovalnim zrakama (650 nm). Naknadno je otkriveno da fotosustav II apsorbira zrake kraće valne duljine u usporedbi s PSI. Fotosinteza se odvija učinkovito samo kada rade zajedno, što objašnjava Emersonov učinak pojačanja.

PSI sadrži dimer klorofila kao reakcijski centar i sa maksimalna apsorpcija svjetla od 700 nm (P 700), kao i klorofil A 675-695, igrajući ulogu komponente antene. Primarni akceptor elektrona u ovom sustavu je monomerni oblik klorofila A 695, sekundarni akceptori su željezo-sumpor proteini (-FeS). PSI kompleks pod utjecajem svjetlosti reducira protein koji sadrži željezo - feredoksin (Fd) i oksidira protein koji sadrži bakar - plastocijanin (Pc).

PSII uključuje reakcijski centar koji sadrži klorofil A(P 680) i antenski pigmenti – klorofili A 670-683 (prikaz, ostalo). Primarni akceptor elektrona je feofitin (Ph), koji prenosi elektrone na plastokinon. PSII također uključuje proteinski kompleks S-sustava, koji oksidira vodu, i prijenosnik elektrona Z. Ovaj kompleks funkcionira uz sudjelovanje mangana, klora i magnezija. PSII smanjuje plastokinon (PQ) i oksidira vodu, oslobađajući O2 i protone.

Poveznica između PSII i PSI je plastokinon fond, proteinski kompleks citokroma b 6 f i plastocijanina.

U biljnim kloroplastima, svaki reakcijski centar sadrži približno 300 molekula pigmenta, koje su dio antene ili kompleksa za prikupljanje svjetlosti. Sredstvo za prikupljanje svjetlosti izolirano je iz lamela kloroplasta. kompleks proteina koji sadrži klorofil A I b i karotenoidi (CCC), blisko povezani s PSP-om, i antenski kompleksi izravno uključeni u PSI i PSII (komponente fokusirajuće antene fotosustava). Polovica proteina tilakoida i oko 60% klorofila lokalizirano je u SSC. Svaki SSC sadrži od 120 do 240 molekula klorofila.

Proteinski kompleks antene PS1 sadrži 110 molekula klorofila a 680-695 za jedan R 700 , od toga, 60 molekula su komponente antenskog kompleksa, što se može smatrati SSC PSI. PSI antenski kompleks također sadrži b-karoten.

Proteinski kompleks PSII antene sadrži 40 molekula klorofila A s apsorpcijskim maksimumom od 670-683 nm po P 680 i b-karoten.

Kromoproteini antenskih kompleksa nemaju fotokemijsku aktivnost. Njihova je uloga apsorbirati i prenijeti kvantnu energiju malom broju molekula reakcijskih centara P 700 i P 680, od kojih je svaki povezan s lancem prijenosa elektrona i provodi fotokemijsku reakciju. Organizacija transportnih lanaca elektrona (ETC) za sve molekule klorofila je iracionalna, jer čak i na izravnoj sunčevoj svjetlosti kvanti svjetlosti pogađaju molekulu pigmenta ne više od jednom svakih 0,1 s.

Fizikalni mehanizmi procesa apsorpcije, skladištenja i migracije energije molekule klorofila su dosta dobro proučene. Apsorpcija fotona(hν) je posljedica prijelaza sustava u različita energetska stanja. U molekuli su, za razliku od atoma, moguća elektronska, vibracijska i rotacijska gibanja, a ukupna energija molekule jednaka je zbroju tih vrsta energija. Glavni pokazatelj energije apsorbirajućeg sustava je razina njegove elektronske energije, određena energijom vanjskih elektrona u orbiti. Prema Paulijevom principu, u vanjskoj orbiti postoje dva elektrona sa suprotno usmjerenim spinovima, što rezultira stvaranjem stabilnog sustava uparenih elektrona. Apsorpciju svjetlosne energije prati prijelaz jednog od elektrona u višu orbitu uz pohranjivanje apsorbirane energije u obliku elektronske pobudne energije. Najvažnija karakteristika apsorpcijskih sustava je selektivnost apsorpcije, određena elektronskom konfiguracijom molekule. U složenoj organskoj molekuli postoji određeni skup slobodnih orbita u koje se elektron može prebaciti kada apsorbira kvant svjetlosti. Prema Bohrovom "pravilu frekvencije", frekvencija apsorbiranog ili emitiranog zračenja v mora strogo odgovarati razlici energije između razina:

ν = (E 2 – E 1)/h,

gdje je h Planckova konstanta.

Svaki elektronički prijelaz odgovara određenom apsorpcijskom pojasu. Dakle, elektronička struktura molekule određuje prirodu elektronskih vibracijskih spektara.

Pohranjivanje apsorbirane energije povezana s pojavom elektronski pobuđenih stanja pigmenata. Fizičke zakonitosti pobuđenih stanja Mg-porfirina mogu se razmotriti na temelju analize sheme elektroničkog prijelaza ovih pigmenata (slika).

Postoje dvije glavne vrste pobuđenih stanja - singlet i triplet. Razlikuju se po energiji i spinskom stanju elektrona. U singletnom pobuđenom stanju, spinovi elektrona na osnovnoj i pobuđenoj razini ostaju antiparalelni; nakon prijelaza u tripletno stanje, spin pobuđenog elektrona rotira uz stvaranje biradikalnog sustava. Kada se foton apsorbira, molekula klorofila prelazi iz osnovnog stanja (S 0) u jedno od pobuđenih singletnih stanja - S 1 ili S 2 , što je popraćeno prijelazom elektrona na pobuđeni nivo s većom energijom. Pobuđeno stanje S2 je vrlo nestabilno. Elektron brzo (unutar 10 -12 s) gubi dio svoje energije u obliku topline i pada na nižu vibracijsku razinu S 1, gdje može ostati 10 -9 s. U stanju S 1 može doći do obrata spina elektrona i prijelaza u stanje tripleta T 1, čija je energija niža od S 1 .

Postoji nekoliko mogućih načina deaktiviranja pobuđenih stanja:

· emisija fotona s prijelazom sustava u osnovno stanje (fluorescencija ili fosforescencija);

prijenos energije na drugu molekulu;

· korištenje energije pobude u fotokemijskoj reakciji.

Energetska migracija između molekula pigmenta može se dogoditi putem sljedećih mehanizama. Mehanizam induktivne rezonancije(Försterov mehanizam) moguć je pod uvjetom da je prijelaz elektrona optički omogućen i da se izmjena energije provodi prema ekscitonski mehanizam. Koncept "ekscitona" označava elektronički pobuđeno stanje molekule, gdje pobuđeni elektron ostaje vezan za pigmentnu molekulu i ne dolazi do odvajanja naboja. Prijenos energije s pobuđene molekule pigmenta na drugu molekulu provodi se neradijacijskim prijenosom energije pobude. Elektron u pobuđenom stanju je oscilirajući dipol. Rezultirajuće izmjenično električno polje može izazvati slične vibracije elektrona u drugoj molekuli pigmenta ako su zadovoljeni uvjeti rezonancije (jednakost energije između osnovne i pobuđene razine) i uvjeti indukcije koji određuju dovoljno jaku interakciju između molekula (udaljenost ne veća od 10 nm ).

Mehanizam razmjene rezonancije Terenin-Dexterove migracije energije nastaje kada je prijelaz optički zabranjen i dipol se ne formira nakon ekscitacije pigmenta. Za njegovu provedbu potreban je bliski kontakt molekula (oko 1 nm) s vanjskim orbitalama koje se preklapaju. Pod tim uvjetima moguća je izmjena elektrona koji se nalaze i na singletnoj i na tripletnoj razini.

U fotokemiji postoji koncept kvantni protok postupak. U odnosu na fotosintezu, ovaj pokazatelj učinkovitosti pretvaranja svjetlosne energije u kemijsku pokazuje koliko se kvanta svjetlosti apsorbira da bi se oslobodila jedna molekula O 2 . Treba imati na umu da svaka molekula fotoaktivne tvari istovremeno apsorbira samo jedan kvant svjetlosti. Ta je energija dovoljna da izazove određene promjene u molekuli fotoaktivne tvari.

Recipročna vrijednost kvantne brzine protoka naziva se kvantni prinos: broj oslobođenih molekula kisika ili apsorbiranih molekula ugljičnog dioksida po kvantu svjetlosti. Ova brojka je manja od jedan. Dakle, ako se za asimilaciju jedne molekule CO 2 potroši 8 kvanta svjetlosti, tada je kvantni prinos 0,125.

Struktura lanca transporta elektrona fotosinteze i karakteristike njegovih komponenti. Lanac prijenosa elektrona fotosinteze uključuje dosta veliki broj komponente smještene u membranskim strukturama kloroplasta. Gotovo sve komponente, osim kinona, su proteini koji sadrže funkcionalne skupine sposobne za reverzibilne redoks promjene i djeluju kao prijenosnici elektrona ili elektrona zajedno s protonima. Brojni prijenosnici ETC-a uključuju metale (željezo, bakar, mangan). Kao najvažnije komponente prijenosa elektrona u fotosintezi mogu se istaknuti sljedeće skupine spojeva: citokromi, kinoni, piridin nukleotidi, flavoproteini, kao i proteini željeza, proteini bakra i proteini mangana. Položaj ovih skupina u ETC-u prvenstveno je određen vrijednošću njihovog redoks potencijala.

Ideje o fotosintezi, tijekom koje se oslobađa kisik, nastale su pod utjecajem Z-sheme prijenosa elektrona R. Hilla i F. Bendella. Ova shema je prikazana na temelju mjerenja redoks potencijala citokroma u kloroplastima. Transportni lanac elektrona je mjesto gdje se pretvara fizička energija elektrona kemijska energija priključke i uključuje PS I i PS II. Z-shema se temelji na sekvencijalnom funkcioniranju i integraciji PSII s PSI.

P 700 je primarni donor elektrona, klorofil je (prema nekim izvorima dimer klorofila a), prenosi elektron na intermedijarni akceptor i može se fotokemijski oksidirati. A 0 - intermedijarni akceptor elektrona - je dimer klorofila a.

Sekundarni akceptori elektrona su vezani željezo-sumporni centri A i B. Strukturni element željezo-sumpornih proteina je rešetka međusobno povezanih atoma željeza i sumpora, koja se naziva željezo-sumporni klaster.

Ferredoksin, željezni protein topiv u stromalnoj fazi kloroplasta koji se nalazi izvan membrane, prenosi elektrone iz PSI reakcijskog centra u NADP, što rezultira stvaranjem NADP-H, koji je neophodan za fiksaciju CO 2 . Svi topljivi feredoksini iz fotosintetskih organizama koji proizvode kisik (uključujući cijanobakterije) su tipa 2Fe-2S.

Komponenta prijenosa elektrona također je membranski vezan citokrom f. Akceptor elektrona za membranski vezan citokrom f i izravni donor za kompleks klorofil-protein reakcijskog centra je protein koji sadrži bakar, koji se naziva "nosač distribucije", plastocijanin.

Kloroplasti također sadrže citokrome b 6 i b 559. Citokrom b 6, koji je polipeptid c Molekularna težina 18 kDa, sudjeluje u cikličkom prijenosu elektrona.

Kompleks b 6 /f je integralni membranski kompleks polipeptida koji sadrži citokrome tipa b i f. Kompleks citokroma b 6 /f katalizira prijenos elektrona između dva fotosustava.

Kompleks citokroma b 6 /f obnavlja mali bazen metaloproteina topljivog u vodi - plastocijanina (Pc), koji služi za prijenos redukcijskih ekvivalenata u kompleks PS I. Plastocijanin je mali hidrofobni metaloprotein koji uključuje atome bakra.

Sudionici primarnih reakcija u reakcijskom centru PS II su primarni donor elektrona P 680, intermedijarni akceptor feofitin i dva plastokinona (obično označeni Q i B), smješteni blizu Fe 2+. Primarni donor elektrona je jedan od oblika klorofila a, nazvan P 680, budući da je opažena značajna promjena u apsorpciji svjetla na 680 nm.

Primarni akceptor elektrona u PS II je plastokinon. Pretpostavlja se da je Q željezo-kinon kompleks. Sekundarni akceptor elektrona u PS II je također plastokinon, označen B, i funkcionira u seriji s Q. Sustav plastokinon/plastokinon istovremeno prenosi još dva protona s dva elektrona i stoga je dvoelektronski redoks sustav. Kako se dva elektrona prenose duž ETC kroz sustav plastokinon/plastokinon, dva protona se prenose preko tilakoidne membrane. Vjeruje se da je gradijent koncentracije protona koji u ovom slučaju nastaje pokretačka snaga Proces sinteze ATP-a. Posljedica toga je povećanje koncentracije protona unutar tilakoida i pojava značajnog pH gradijenta između vanjske i unutarnje strane tilakoidne membrane: iznutra je okolina kiselija nego izvana.

2. Fotosintetska fosforilacija

Voda služi kao donor elektrona za PS-2. Molekule vode, otpuštajući elektrone, raspadaju se na slobodni hidroksil OH i proton H +. Slobodni hidroksilni radikali međusobno reagiraju stvarajući H2O i O2. Pretpostavlja se da ioni mangana i klora sudjeluju kao kofaktori u fotooksidaciji vode.

U procesu fotolize vode otkriva se bit fotokemijskog rada koji se odvija tijekom fotosinteze. Ali do oksidacije vode dolazi pod uvjetom da se elektron izbačen iz molekule P 680 prenosi na akceptor i dalje u lanac prijenosa elektrona (ETC). U ETC fotosustava-2 prijenosnici elektrona su plastokinon, citokromi, plastocijanin (protein koji sadrži bakar), FAD, NADP itd.

Elektron izbačen iz molekule P 700 hvata protein koji sadrži željezo i sumpor i prenosi ga na feredoksin. U budućnosti, put ovog elektrona može biti dvostruk. Jedan od tih putova sastoji se od sekvencijalnog prijenosa elektrona od feredoksina kroz niz nosača natrag do P 700. Tada kvant svjetlosti izbacuje sljedeći elektron iz molekule P 700. Ovaj elektron dolazi do feredoksina i vraća se u molekulu klorofila. Jasno je vidljiva cikličnost procesa. Kada se elektron prenese iz feredoksina, energija elektronske ekscitacije odlazi u stvaranje ATP-a iz ADP-a i H3PO4. Ovu vrstu fotofosforilacije nazvao je R. Arnon ciklički . Ciklička fotofosforilacija se teoretski može dogoditi čak i sa zatvorenim pučima, jer za to nije potrebna izmjena s atmosferom.

Neciklička fotofosforilacija događa se uz sudjelovanje oba fotosustava. U ovom slučaju, elektroni i proton H + izbačeni iz P 700 dolaze do feredoksina i prenose se kroz brojne prijenosnike (FAD, itd.) u NADP uz stvaranje reduciranog NADP·H 2. Potonji se, kao jako redukcijsko sredstvo, koristi u tamnim reakcijama fotosinteze. U isto vrijeme, molekula klorofila P 680, nakon što je apsorbirala kvant svjetlosti, također prelazi u pobuđeno stanje, odustajući od jednog elektrona. Nakon što je prošao kroz niz nosača, elektron nadoknađuje nedostatak elektrona u molekuli P 700. Elektronska "rupa" klorofila P 680 nadopunjuje se elektronom iz OH iona - jednog od proizvoda fotolize vode. Energija elektrona izbačenog iz P 680 svjetlosnim kvantom, prilikom prolaska kroz transportni lanac elektrona do fotosustava 1, odlazi na fotofosforilaciju. Tijekom necikličkog transporta elektrona, kao što je vidljivo iz dijagrama, dolazi do fotolize vode i oslobađanja slobodnog kisika.

Prijenos elektrona osnova je razmatranog mehanizma fotofosforilacije. Engleski biokemičar P. Mitchell iznio je teoriju fotofosforilacije, nazvanu kemiosmotska teorija. Poznato je da se ETC kloroplasta nalazi u tilakoidnoj membrani. Jedan od prijenosnika elektrona u ETC (plastokinon), prema hipotezi P. Mitchella, prenosi ne samo elektrone, već i protone (H +), pomičući ih kroz tilakoidnu membranu u smjeru izvana prema unutra. Unutar tilakoidne membrane, nakupljanjem protona, okolina postaje kisela i kao rezultat toga nastaje pH gradijent: vanjska strana postaje manje kisela od unutarnje. Taj se gradijent također povećava zbog opskrbe protonima – produktima fotolize vode.

pH razlika između vanjske i unutarnje strane membrane stvara značajan izvor energije. Uz pomoć te energije, protoni se izbacuju kroz posebne kanale u posebnim izbočinama u obliku gljive na vanjskoj strani tilakoidne membrane. Ti kanali sadrže faktor spajanja (poseban protein) koji može sudjelovati u fotofosforilaciji. Pretpostavlja se da je takav protein enzim ATP-aza, koji katalizira reakciju razgradnje ATP-a, ali uz prisustvo energije protona koji teče kroz membranu – i njegovu sintezu. Sve dok postoji pH gradijent i, prema tome, dok se elektroni kreću duž lanca nositelja u fotosustavima, dolazit će i do sinteze ATP-a. Izračunato je da se za svaka dva elektrona koja prođu kroz ETC unutar tilakoida akumuliraju četiri protona, a za svaka tri protona oslobođena uz sudjelovanje faktora konjugacije iz membrane prema van sintetizira se jedna molekula ATP-a.

Dakle, kao rezultat svjetlosne faze, zahvaljujući svjetlosnoj energiji, nastaju ATP i NADPH 2 koji se koriste u tamnoj fazi, a produkt fotolize vode O 2 se oslobađa u atmosferu. Ukupna jednadžba za svjetlosnu fazu fotosinteze može se izraziti na sljedeći način:

2H 2 O + 2NADP + 2 ADP + 2 H 3 PO 4 → 2 NADPH 2 + 2 ATP + O 2

Svaki Živo biće na planetu treba hranu ili energiju za preživljavanje. Neki se organizmi hrane drugim bićima, dok drugi mogu proizvesti vlastite hranjive tvari. Oni proizvode vlastitu hranu, glukozu, u procesu koji se naziva fotosinteza.

Fotosinteza i disanje su međusobno povezani. Rezultat fotosinteze je glukoza, koja se pohranjuje kao kemijska energija u. Ova pohranjena kemijska energija nastaje pretvorbom anorganskog ugljika (ugljičnog dioksida) u organski ugljik. Proces disanja oslobađa pohranjenu kemijsku energiju.

Uz proizvode koje proizvode, biljke također trebaju ugljik, vodik i kisik za preživljavanje. Voda apsorbirana iz tla osigurava vodik i kisik. Tijekom fotosinteze ugljik i voda koriste se za sintezu hrane. Biljke također trebaju nitrate za stvaranje aminokiselina (aminokiselina je sastojak za stvaranje proteina). Osim toga, potreban im je magnezij za proizvodnju klorofila.

Napomena:Živa bića koja ovise o drugoj hrani nazivaju se . Biljojedi poput krava i biljaka koje jedu kukce primjeri su heterotrofa. Živa bića koja sama proizvode hranu nazivaju se. Zelene biljke i alge su primjeri autotrofa.

U ovom ćete članku saznati više o tome kako se fotosinteza odvija u biljkama i uvjetima potrebnim za taj proces.

Definicija fotosinteze

Fotosinteza je kemijski proces kojim biljke, neke alge, proizvode glukozu i kisik iz ugljičnog dioksida i vode, koristeći samo svjetlost kao izvor energije.

Ovaj proces iznimno je važan za život na Zemlji jer se oslobađa kisik o kojem ovisi sav život.

Zašto je biljkama potrebna glukoza (hrana)?

Poput ljudi i drugih živih bića, biljke također zahtijevaju prehranu da bi preživjele. Važnost glukoze za biljke je sljedeća:

Glukoza proizvedena fotosintezom koristi se tijekom disanja za oslobađanje energije potrebne biljci za druge vitalne procese.
Biljne stanice također pretvaraju dio glukoze u škrob, koji se koristi prema potrebi. Zbog toga se mrtve biljke koriste kao biomasa jer pohranjuju kemijsku energiju.
Glukoza je također potrebna za stvaranje drugih kemikalija kao što su proteini, masti i biljni šećeri potrebni za podršku rastu i drugim važnim procesima.

Faze fotosinteze

Proces fotosinteze dijelimo na dvije faze: svijetlu i tamnu.

Svjetlosna faza fotosinteze

Kao što naziv sugerira, svjetlosne faze zahtijevaju sunčevu svjetlost. U reakcijama ovisnim o svjetlosti, energiju sunčeve svjetlosti apsorbira klorofil i pretvara u pohranjenu kemijsku energiju u obliku molekule nositelja elektrona NADPH (nikotinamid adenin dinukleotid fosfat) i energetske molekule ATP (adenozin trifosfat). Lagane faze se javljaju u tilakoidnim membranama unutar kloroplasta.

Tamna faza fotosinteze ili Calvinov ciklus

U tamnoj fazi ili Calvinovom ciklusu pobuđeni elektroni iz svijetle faze daju energiju za stvaranje ugljikohidrata iz molekula ugljičnog dioksida. Faze neovisne o svjetlu ponekad se nazivaju Calvinovim ciklusom zbog cikličke prirode procesa.

Iako tamne faze ne koriste svjetlost kao reaktant (i, kao rezultat toga, mogu se pojaviti tijekom dana ili noći), one zahtijevaju produkte reakcija ovisnih o svjetlosti da bi funkcionirale. Molekule neovisne o svjetlosti ovise o molekulama nositeljima energije ATP i NADPH za stvaranje novih molekula ugljikohidrata. Nakon što se energija prenese, molekule nositelji energije vraćaju se u svjetlosne faze kako bi proizvele elektrone više energije. Osim toga, svjetlom se aktivira nekoliko enzima tamne faze.

Dijagram faza fotosinteze

Napomena: To znači da se tamne faze neće nastaviti ako su biljke predugo uskraćene za svjetlo, jer koriste proizvode svijetlih faza.

Građa lišća biljke

Ne možemo u potpunosti proučavati fotosintezu ako ne znamo više o strukturi lista. List je prilagođen da igra vitalnu ulogu u procesu fotosinteze.

Vanjska građa lišća

Kvadrat

Jedna od najvažnijih karakteristika biljaka je velika površina njihovih listova. Većina zelenih biljaka ima široke, ravne i otvorene listove koji su sposobni uhvatiti onoliko sunčeve energije (sunčeve svjetlosti) koliko je potrebno za fotosintezu.

Središnja žila i peteljka

Središnja žila i peteljka spajaju se i čine bazu lista. Peteljka postavlja list tako da dobije što više svjetla.

Plojka lista

Jednostavni listovi imaju jednu lisnu plojku, dok ih složeni listovi imaju nekoliko. Plojka lista je jedna od najvažnijih komponenti lista, koja je izravno uključena u proces fotosinteze.

Vene

Mreža žilica u lišću prenosi vodu od stabljike do lišća. Oslobođena glukoza također se iz lišća kroz vene šalje u druge dijelove biljke. Osim toga, ovi dijelovi lista podupiru i drže plojku lista ravnom za bolje hvatanje sunčeve svjetlosti. Raspored žila (venacija) ovisi o vrsti biljke.

Listna baza

Baza lista je njegov najniži dio, koji je zglobno povezan sa stabljikom. Često se na dnu lista nalazi par stipula.

Rub lista

Ovisno o vrsti biljke, rub lista može imati različite oblike, uključujući: cjelovit, nazubljen, nazubljen, nazubljen, nazubljen itd.

Vrh lista

Kao i rub lista, vrh dolazi u različitim oblicima, uključujući: oštar, zaobljen, tup, izdužen, izvučen itd.

Unutarnja građa lišća

Ispod je bliski dijagram unutarnja struktura lisna tkiva:

Zanoktica

Kutikula djeluje kao glavni, zaštitni sloj na površini biljke. U pravilu je deblji na vrhu lista. Kutikula je prekrivena tvari poput voska koja štiti biljku od vode.

Epidermis

Epiderma je sloj stanica koji je pokrovno tkivo lista. Njegova glavna funkcija je zaštita unutarnjeg tkiva lista od dehidracije, mehaničkih oštećenja i infekcija. Također regulira proces izmjene plinova i transpiraciju.

Mezofil

Mezofil je glavno tkivo biljke. Tu se odvija proces fotosinteze. Kod većine biljaka mezofil je podijeljen u dva sloja: gornji je palisadni, a donji je spužvasti.

Obrambeni kavezi

Zaštitne stanice su specijalizirane stanice u epidermisu lišća koje se koriste za kontrolu izmjene plinova. Oni izvode zaštitnu funkciju za puči. Stomatalne pore postaju velike kada je voda slobodno dostupna, inače zaštitne stanice postaju trome.

stoma

Fotosinteza ovisi o prodoru ugljičnog dioksida (CO2) iz zraka kroz puči u tkivo mezofila. Kisik (O2), proizveden kao nusprodukt fotosinteze, napušta biljku kroz puči. Kada su stomati otvoreni, voda se gubi isparavanjem i mora se nadomjestiti kroz transpiracijski tok vodom koju apsorbira korijenje. Biljke su prisiljene uravnotežiti količinu CO2 apsorbiranog iz zraka i gubitak vode kroz stomatalne pore.

Uvjeti potrebni za fotosintezu

Sljedeći uvjeti su potrebni biljkama za odvijanje procesa fotosinteze:

Ugljični dioksid. Prirodni plin bez boje i mirisa koji se nalazi u zraku i ima znanstveno ime CO2. Nastaje izgaranjem ugljika i organskih spojeva, a javlja se i tijekom disanja.
Voda. Prozirna tekućina Kemijska tvar bez mirisa i okusa (u normalnim uvjetima).
Svjetlo. Iako je umjetno svjetlo također pogodno za biljke, prirodno sunčevo svjetlo općenito pruža bolje uvjete za fotosintezu jer sadrži prirodno ultraljubičasto zračenje koje ima pozitivan utjecaj na biljkama.
Klorofil. To je zeleni pigment koji se nalazi u listovima biljaka.
Hranjive tvari i minerali. Kemikalije i organski spojevi koje korijenje biljke apsorbira iz tla.

Što nastaje kao rezultat fotosinteze?

Glukoza;
Kisik.

(Svjetlosna energija je prikazana u zagradama jer nije materija)

Napomena: Biljke dobivaju CO2 iz zraka preko lišća, a vodu iz tla preko korijena. Svjetlosna energija dolazi od Sunca. Rezultirajući kisik ispušta se u zrak iz lišća. Dobivena glukoza može se pretvoriti u druge tvari, poput škroba, koji se koristi kao zaliha energije.

Ako su čimbenici koji potiču fotosintezu odsutni ili su prisutni u nedovoljnim količinama, biljka može biti negativno pogođena. Na primjer, manje svjetla stvara povoljne uvjete za insekte koji jedu lišće biljke, a nedostatak vode usporava.

Gdje se odvija fotosinteza?

Fotosinteza se odvija unutar biljnih stanica, u malim plastidima koji se nazivaju kloroplasti. Kloroplasti (uglavnom se nalaze u sloju mezofila) sadrže zelenu tvar zvanu klorofil. Ispod su ostali dijelovi stanice koji surađuju s kloroplastom za provođenje fotosinteze.

Građa biljne stanice

Funkcije dijelova biljne stanice

: pruža strukturnu i mehaničku potporu, štiti stanice od, fiksira i određuje oblik stanica, kontrolira brzinu i smjer rasta te daje oblik biljkama.
: pruža platformu za većinu kemijskih procesa kontroliranih enzimima.
: djeluje kao barijera, kontrolirajući kretanje tvari u stanicu i iz nje.
: kao što je gore opisano, sadrže klorofil, zelenu tvar koja apsorbira svjetlosnu energiju kroz proces fotosinteze.
: šupljina unutar stanične citoplazme koja pohranjuje vodu.
: sadrži genetsku oznaku (DNK) koja kontrolira aktivnosti stanice.

Klorofil apsorbira svjetlosnu energiju potrebnu za fotosintezu. Važno je napomenuti da se ne apsorbiraju sve valne duljine boja svjetlosti. Biljke primarno apsorbiraju crvene i plave valne duljine - ne apsorbiraju svjetlost u zelenom rasponu.

Ugljični dioksid tijekom fotosinteze

Biljke unose ugljični dioksid iz zraka preko lišća. Ugljični dioksid curi kroz malu rupicu na dnu lista – puči.

Donji dio lista ima labavo raspoređene stanice kako bi ugljični dioksid mogao doći do drugih stanica u lišću. To također omogućuje kisiku proizvedenom fotosintezom da lako napusti list.

Ugljični dioksid prisutan je u zraku koji udišemo u vrlo niskim koncentracijama i nužan je čimbenik u tamnoj fazi fotosinteze.

Svjetlo tijekom fotosinteze

List obično ima velika površina površine, tako da može apsorbirati puno svjetla. Njegovo gornja površina zaštićena od gubitka vode, bolesti i izloženosti vremenskim prilikama slojem voska (kutikula). Vrh lista je mjesto gdje svjetlost pada. Ovaj sloj mezofila naziva se palisada. Prilagođeno je upijanju velika količina svjetlost, jer sadrži mnogo kloroplasta.

Tijekom svjetlosnih faza, proces fotosinteze se povećava s više svjetla. Više molekula klorofil se ionizira i stvara se više ATP-a i NADPH-a ako se svjetlosni fotoni koncentriraju na zeleni list. Iako je svjetlost izuzetno važna u fotofazama, treba napomenuti da prevelike količine mogu oštetiti klorofil, te smanjiti proces fotosinteze.

Svjetlosne faze ne ovise previše o temperaturi, vodi ili ugljičnom dioksidu, iako su sve potrebne za dovršetak procesa fotosinteze.

Voda tijekom fotosinteze

Biljke vodu potrebnu za fotosintezu dobivaju putem korijena. Imaju korijenske dlake koje rastu u tlu. Korijenje karakterizira velika površina i tanke stijenke koje omogućavaju lakom prolazu vode kroz njih.

Slika prikazuje biljke i njihove stanice s dovoljno vode (lijevo) i nedostatkom (desno).

Napomena: Stanice korijena ne sadrže kloroplaste jer su obično u mraku i ne mogu fotosintetizirati.

Ako biljka ne upije dovoljno vode, uvene. Bez vode, biljka neće moći dovoljno brzo fotosintetizirati i čak može uginuti.

Koja je važnost vode za biljke?

Osigurava otopljene minerale koji podržavaju zdravlje biljaka;
Je medij za prijevoz;
Održava stabilnost i uspravnost;
Hladi i zasićuje vlagom;
Omogućuje izvođenje raznih kemijskih reakcija u biljnim stanicama.

Važnost fotosinteze u prirodi

Biokemijski proces fotosinteze koristi energiju sunčeve svjetlosti za pretvaranje vode i ugljičnog dioksida u kisik i glukozu. Glukoza se koristi kao građevni blok u biljkama za rast tkiva. Dakle, fotosinteza je metoda kojom nastaju korijenje, stabljike, lišće, cvijeće i plodovi. Bez procesa fotosinteze, biljke neće moći rasti niti se razmnožavati.

Proizvođači

Zbog svoje fotosintetske sposobnosti, biljke su poznate kao proizvođači i temelj su gotovo svakog prehrambenog lanca na Zemlji. (Alge su ekvivalent biljkama u). Sva hrana koju jedemo dolazi od organizama koji su fotosintetici. Te biljke jedemo izravno ili jedemo životinje poput krava ili svinja koje konzumiraju biljnu hranu.

Osnova hranidbenog lanca

Unutar vodenih sustava, biljke i alge također čine osnovu hranidbenog lanca. Alge služe kao hrana, a one zauzvrat djeluju kao izvor prehrane za veće organizme. Bez fotosinteze u vodenom okolišu život ne bi bio moguć.

Uklanjanje ugljičnog dioksida

Fotosintezom se ugljikov dioksid pretvara u kisik. Tijekom fotosinteze, ugljični dioksid iz atmosfere ulazi u biljku i zatim se oslobađa kao kisik. U današnjem svijetu, gdje razine ugljičnog dioksida rastu alarmantnom brzinom, svaki proces koji uklanja ugljični dioksid iz atmosfere važan je za okoliš.

Kruženje hranjivih tvari

Biljke i drugi fotosintetski organizmi igraju vitalnu ulogu u kruženju hranjivih tvari. Dušik u zraku se fiksira u biljnom tkivu i postaje dostupan za stvaranje proteina. Mikronutrijenti koji se nalaze u tlu također se mogu ugraditi u biljno tkivo i postati dostupni biljojedima dalje u hranidbenom lancu.

Ovisnost o fotosintezi

Fotosinteza ovisi o intenzitetu i kvaliteti svjetlosti. Na ekvatoru, gdje sunčeve svjetlosti ima u izobilju tijekom cijele godine i gdje voda nije ograničavajući faktor, biljke imaju visoke stope rasta i mogu postati prilično velike. Suprotno tome, fotosinteza se rjeđe događa u dubljim dijelovima oceana jer svjetlost ne prodire u te slojeve, što rezultira neplodnijim ekosustavom.

Kao što naziv govori, fotosinteza je u biti prirodna sinteza organskih tvari, pretvarajući CO2 iz atmosfere i vode u glukozu i slobodni kisik.

Za to je potrebna prisutnost sunčeve energije.

Kemijska jednadžba za proces fotosinteze općenito se može prikazati na sljedeći način:

Fotosinteza ima dvije faze: tamnu i svijetlu. Kemijske reakcije Tamne faze fotosinteze bitno se razlikuju od reakcija svijetle faze, ali tamna i svijetla faza fotosinteze ovise jedna o drugoj.

Svjetlosna faza može se pojaviti u listovima biljaka isključivo na sunčevoj svjetlosti. Za mrak je neophodna prisutnost ugljičnog dioksida, zbog čega ga biljka mora stalno apsorbirati iz atmosfere. svi komparativne karakteristike U nastavku će biti navedene tamne i svijetle faze fotosinteze. U tu svrhu izrađena je usporedna tablica "Faze fotosinteze".

Svjetlosna faza fotosinteze

Glavni procesi u svjetlosnoj fazi fotosinteze odvijaju se u tilakoidnim membranama. Uključuje klorofil, transportne proteine elektrona, ATP sintetazu (enzim koji ubrzava reakciju) i sunčevu svjetlost.

Nadalje, mehanizam reakcije može se opisati na sljedeći način: kada sunčeva svjetlost pogodi zeleno lišće biljaka, u njihovoj strukturi se pobuđuju elektroni klorofila (negativni naboj), koji, prešavši u aktivno stanje, napuštaju molekulu pigmenta i završavaju na izvan tilakoida, čija je membrana također negativno nabijena. Pritom dolazi do oksidacije molekula klorofila, a redukcije već oksidiranih molekula, preuzimajući elektrone iz vode koja se nalazi u strukturi lista.

Ovaj proces dovodi do toga da se molekule vode raspadaju, a ioni nastali kao rezultat fotolize vode odustaju od svojih elektrona i pretvaraju se u OH radikale koji su sposobni za daljnje reakcije. Ovi reaktivni OH radikali zatim se kombiniraju kako bi stvorili punopravne molekule vode i kisika. U tom slučaju slobodni kisik izlazi u vanjski okoliš.

Kao rezultat svih ovih reakcija i transformacija, tilakoidna membrana lista s jedne strane je nabijena pozitivno (zbog H+ iona), a s druge strane negativno (zbog elektrona). Kada razlika između ovih naboja na obje strane membrane dosegne više od 200 mV, protoni prolaze kroz posebne kanale enzima ATP sintetaze i zbog toga se ADP pretvara u ATP (kao rezultat procesa fosforilacije). A atomski vodik, koji se oslobađa iz vode, obnavlja specifični nosač NADP+ u NADP·H2. Kao što vidimo, kao rezultat svjetlosne faze fotosinteze javljaju se tri glavna procesa:

sinteza ATP-a;
stvaranje NADP H2;
stvaranje slobodnog kisika.

Potonji se ispušta u atmosferu, a NADP H2 i ATP sudjeluju u tamnoj fazi fotosinteze.

Tamna faza fotosinteze

Tamna i svijetla faza fotosinteze karakterizirane su velikim utroškom energije od strane biljke, ali tamna faza se odvija brže i zahtijeva manje energije. Reakcije tamne faze ne zahtijevaju sunčevu svjetlost, pa se mogu dogoditi i danju i noću.

Svi glavni procesi ove faze odvijaju se u stromi biljnog kloroplasta i predstavljaju jedinstveni lanac uzastopnih transformacija ugljičnog dioksida iz atmosfere. Prva reakcija u takvom lancu je fiksacija ugljičnog dioksida. Kako bi se to odvijalo glatko i brže, priroda je osigurala enzim RiBP-karboksilazu, koji katalizira fiksaciju CO2.

Zatim se događa cijeli ciklus reakcija, čiji je završetak pretvorba fosfoglicerinske kiseline u glukozu (prirodni šećer). Sve te reakcije koriste energiju ATP i NADP H2, koji su nastali u svjetlosnoj fazi fotosinteze. Osim glukoze, fotosintezom nastaju i druge tvari. Među njima su razne aminokiseline, masne kiseline, glicerol i nukleotidi.

Faze fotosinteze: usporedna tablica

*Kriteriji usporedbe*	*Lagana faza*	*Tamna faza*
sunčeva svjetlost	Potreban	Nije obavezno
Mjesto reakcije	Grana kloroplasta	Stroma kloroplasta
Ovisnost o izvoru energije	Ovisi o sunčevoj svjetlosti	Ovisi o ATP-u i NADP-u H2 nastalom u svjetlosnoj fazi te o količini CO2 iz atmosfere
Polazni materijali	Klorofil, transportni proteini elektrona, ATP sintetaza	Ugljični dioksid
Suština faze i što nastaje	Oslobađa se slobodni O2, nastaju ATP i NADP H2	Stvaranje prirodnog šećera (glukoze) i apsorpcija CO2 iz atmosfere