Definice fotosyntézy
Fotosyntéza je biochemická cesta, která přeměňuje energii světla na vazby molekul glukózy. Proces fotosyntézy probíhá ve dvou krocích. V prvním kroku se energie ze světla ukládá ve vazbách adenosintrifosfátu (ATP) a nikotinamidadeninindinukleotidfosfátu (NADPH). Tyto dva kofaktory akumulující energii se poté používají ve druhém kroku fotosyntézy k výrobě organických molekul kombinací molekul uhlíku odvozených od oxidu uhličitého (CO2). Druhý krok fotosyntézy je známý jako Calvinův cyklus. Tyto organické molekuly pak mohou být mitochondriemi použity k produkci ATP, nebo mohou být kombinovány za vzniku glukózy, sacharózy a dalších sacharidů. Chemickou rovnici pro celý proces naleznete níže.
Rovnice fotosyntézy
Výše je uvedena celková reakce na fotosyntézu. Pomocí energie ze světla a vodíku a elektronů z vody rostlina kombinuje uhlíky nacházející se v oxidu uhličitém do složitějších molekul. Zatímco 3-uhlíková molekula je přímým výsledkem fotosyntézy, glukóza je jednoduše dvěma z těchto molekul kombinována a je často reprezentována jako přímý výsledek fotosyntézy kvůli tomu, že glukóza je základní molekulou v mnoha buněčných systémech. Také si všimnete, že se produkuje 6 molekul plynného kyslíku jako vedlejší produkt. Rostlina může tento kyslík používat ve svých mitochondriích během oxidační fosforylace. I když se pro tento účel používá část kyslíku, velká část je vypuzena do atmosféry a umožňuje nám dýchat a podstoupit naši vlastní oxidační fosforylaci na molekulách cukru pocházejících z rostlin. Také si všimnete, že tato rovnice ukazuje vodu na obou stranách. Je to proto, že 12 molekul vody je rozděleno během světelných reakcí, zatímco 6 nových molekul je produkováno během a po Calvinově cyklu. I když se jedná o obecnou rovnici pro celý proces, existuje mnoho jednotlivých reakcí, které přispívají k této cestě.
Fáze fotosyntézy
Světelné reakce
Světelné reakce probíhají v tylakoidních membránách chloroplastů rostlinných buněk. Tylakoidy mají hustě nabité proteinové a enzymové shluky známé jako fotosystémy. Existují dva z těchto systémů, které ve vzájemné spolupráci odstraňují elektrony a vodíky z vody a přenášejí je do kofaktorů ADP a NADP +. Tyto fotosystémy byly pojmenovány v pořadí, v jakém byly objeveny, což je opak toho, jak jimi protékají elektrony. Jak je vidět na obrázku níže, elektrony buzené světelnou energií proudí nejprve fotosystémem II (PSII) a poté fotosystémem I (PSI), protože vytvářejí NADPH. ATP je vytvořen proteinovou ATP syntázou, která využívá hromadění atomů vodíku k podpoře přidání fosfátových skupin k ADP.
Celý systém funguje následovně. Fotosystém se skládá z různých proteinů, které obklopují a spojují řadu pigmentových molekul. Pigmenty jsou molekuly, které absorbují různé fotony a umožňují jejich elektronům vzrušení. Chlorofyl a je hlavním pigmentem používaným v těchto systémech a sbírá konečný přenos energie před uvolněním elektronu. Photosystem II zahajuje tento proces elektronů pomocí světelné energie k rozdělení molekuly vody, která uvolňuje vodík a sifonuje elektrony. Elektrony pak procházejí plastochinonem, komplexem enzymů, který uvolňuje více vodíků do prostoru thylakoidů. Elektrony poté protékají komplexem cytochromu a plastocyaninem, aby dosáhly fotosystému I. Tyto tři komplexy tvoří elektronový transportní řetězec, podobně jako ten, který je vidět v mitochondriích. Photosystem I pak používá tyto elektrony k řízení redukce NADP + na NADPH. Další ATP vznikající během světelných reakcí pochází z ATP syntázy, která využívá velký gradient molekul vodíku k řízení tvorby ATP.
Calvinův cyklus
Se svými elektronovými nosiči NADPH a ATP, všechny nabité elektrony, je nyní zařízení připraveno k vytváření skladovatelné energie. To se děje během Calvinova cyklu, který je velmi podobný cyklu kyseliny citronové v mitochondriích. Cyklus kyseliny citronové však vytváří ATP další elektronové nosiče z molekul 3 uhlíku, zatímco cyklus Calvin produkuje tyto produkty s použitím NADPH a ATP. Cyklus má 3 fáze, jak je vidět na obrázku níže.
Během první fáze se k 5-uhlíkovému cukru přidá uhlík, čímž vznikne nestabilní 6-uhlíkový cukr. Ve druhé fázi je tento cukr redukován na dvě stabilní 3-uhlíkové molekuly cukru.Některé z těchto molekul mohou být použity v jiných metabolických drahách a jsou exportovány. Zbytek zbývá pokračovat v jízdě po Calvinově cyklu. Během třetí fáze se pětikarbonový cukr regeneruje, aby se proces zahájil znovu. Kalvinův cyklus se vyskytuje ve stromatu chloroplastu. Ačkoli tyto produkty nejsou považovány za součást Calvinova cyklu, lze je použít k vytvoření různých cukrů a strukturních molekul.
Produkty fotosyntézy
Přímé produkty světelných reakcí a Kalvinovým cyklem jsou 3-fosfoglycerát a G3P, dvě různé formy molekuly cukru se 3 uhlíky. Kombinace dvou z těchto molekul se rovná jedné molekule glukózy, produktu pozorovanému ve fotosyntetické rovnici. I když je to hlavní zdroj potravy pro rostliny a zvířata, lze tyto 3-uhlíkové kostry kombinovat do mnoha různých forem. Za zmínku stojí strukturní forma, celulóza a extrémně silný vláknitý materiál vyrobený v podstatě z řetězců glukózy. Kromě cukrů a molekul na bázi cukru je dalším hlavním produktem fotosyntézy kyslík. Kyslík vytvořený fotosyntézou pohání každý dýchající organismus na planetě.
Kvíz
1. K dokončení Calvinova cyklu je zapotřebí oxid uhličitý. Oxid uhličitý se dostává do vnitřku rostliny přes průduchy nebo malé otvory na povrchu listu. Aby se zabránilo ztrátě vody a úplné dehydrataci v horkých dnech, rostliny uzavírají průduchy. Mohou rostliny i nadále podstupovat fotosyntézu?
A. Ano, pokud je světlo
B. Ne, bez CO2 nemůže proces pokračovat
C. Bude pokračovat pouze světelná reakce
2. Proč jsou produkty fotosyntézy důležité pro nefotosyntetické organismy?
A. Je to základ většiny energie na Zemi
B. Potřebují vedlejší živiny shromážděné rostlinami
C. Nejsou důležité pro povinné masožravce
3. Proč rostliny potřebují vodu?
A. Pro fotosyntézu
B. Pro strukturu
C. Přenos živin
D. Všechny výše uvedené