Definition af fotosyntese
Fotosyntese er den biokemiske vej, der omdanner lysets energi til bindingerne af glukosemolekyler. Processen med fotosyntese sker i to trin. I det første trin lagres energi fra lys i bindingerne af adenosintrifosfat (ATP) og nikotinamidadenindinukleotidphosphat (NADPH). Disse to energilagrende medfaktorer bruges derefter i det andet trin i fotosyntese til at producere organiske molekyler ved at kombinere kulstofmolekyler afledt af kuldioxid (CO2). Det andet trin i fotosyntese er kendt som Calvin Cycle. Disse organiske molekyler kan derefter bruges af mitokondrier til at producere ATP, eller de kan kombineres til dannelse af glucose, saccharose og andre kulhydrater. Den kemiske ligning for hele processen kan ses nedenfor.
Fotosyntese ligning
Ovenstående er den samlede reaktion for fotosyntese. Ved hjælp af energien fra lys og hydrogenerne og elektronerne fra vand kombinerer planten kulstofferne i kuldioxid i mere komplekse molekyler. Mens et 3-carbonmolekyle er det direkte resultat af fotosyntese, er glucose simpelthen to af disse molekyler kombineret og repræsenteres ofte som det direkte resultat af fotosyntese på grund af, at glucose er et grundlæggende molekyle i mange cellulære systemer. Du vil også bemærke, at der produceres 6 gasformige iltmolekyler som et biprodukt. Anlægget kan bruge dette ilt i dets mitokondrier under oxidativ fosforylering. Mens noget af iltet bruges til dette formål, udvises en stor del i atmosfæren og giver os mulighed for at trække vejret og gennemgå vores egen oxidative fosforylering på sukkermolekyler afledt af planter. Du vil også bemærke, at denne ligning viser vand på begge sider. Det skyldes, at 12 vandmolekyler deles under lysreaktionerne, mens der produceres 6 nye molekyler under og efter Calvin-cyklussen. Selvom dette er den generelle ligning for hele processen, er der mange individuelle reaktioner, der bidrager til denne vej.
Stadier af fotosyntese
Lysreaktionerne
Lysreaktionerne sker i thylakoidmembranerne i kloroplasterne i planteceller. Thylakoids har tæt pakket protein og enzym klynger kendt som fotosystemer. Der er to af disse systemer, der arbejder sammen med hinanden for at fjerne elektroner og hydrogener fra vand og overføre dem til kofaktorerne ADP og NADP +. Disse fotosystemer blev navngivet i den rækkefølge, de blev opdaget, hvilket er det modsatte af, hvordan elektroner strømmer gennem dem. Som det ses på billedet nedenfor, strømmer elektroner ophidset af lysenergi først gennem fotosystem II (PSII) og derefter gennem fotosystem I (PSI), når de skaber NADPH. ATP er skabt af proteinet ATP-syntase, der bruger opbygningen af hydrogenatomer til at drive tilsætningen af phosphatgrupper til ADP.
Hele systemet fungerer som følger. Et fotosystem består af forskellige proteiner, der omgiver og forbinder en række pigmentmolekyler. Pigmenter er molekyler, der absorberer forskellige fotoner, så deres elektroner bliver begejstrede. Klorofyl a er det vigtigste pigment, der anvendes i disse systemer, og samler den endelige energioverførsel inden frigivelse af en elektron. Fotosystem II starter denne proces med elektroner ved at bruge lysenergien til at opdele et vandmolekyle, som frigiver brintet, mens det siver ud af elektronerne. Elektronerne ledes derefter gennem plastoquinon, et enzymkompleks, der frigiver flere hydrogener i thylakoidrummet. Elektronerne strømmer derefter gennem et cytokromkompleks og plastocyanin for at nå fotosystem I. Disse tre komplekser danner en elektrontransportkæde, ligesom den der ses i mitokondrier. Fotosystem I bruger derefter disse elektroner til at køre reduktionen af NADP + til NADPH. Den ekstra ATP, der fremstilles under lysreaktionerne, kommer fra ATP-syntase, der bruger den store gradient af brintmolekyler til at drive dannelsen af ATP.
Calvin-cyklen
Med sine elektronbærere NADPH og ATP alt fyldt med elektroner, er anlægget nu klar til at skabe energi, der kan lagres. Dette sker under Calvin-cyklussen, som ligner meget citronsyrecyklussen set i mitokondrier. Citronsyrecyklussen skaber imidlertid ATP andre elektronbærere fra 3-carbonmolekyler, mens Calvin-cyklussen producerer disse produkter ved brug af NADPH og ATP. Cyklussen har 3 faser, som det ses i nedenstående grafik.
I den første fase tilsættes et kulstof til et 5-kulstofsukker, hvilket skaber et ustabilt 6-kulstofsukker. I fase to reduceres dette sukker til to stabile 3-kulstof sukkermolekyler.Nogle af disse molekyler kan bruges i andre metaboliske veje og eksporteres. Resten er tilbage for at fortsætte med at cykle gennem Calvin-cyklen. I løbet af den tredje fase regenereres fem-kulstofsukkeret for at starte processen igen. Calvin-cyklussen forekommer i en chloroplaststroma. Selvom de ikke betragtes som en del af Calvin-cyklussen, kan disse produkter bruges til at skabe en række sukkerarter og strukturmolekyler.
Produkter fra fotosyntese
De direkte produkter fra lysreaktionerne og Calvin-cyklus er 3-phosphoglycerat og G3P, to forskellige former for et 3-kulstof sukkermolekyle. To af disse molekyler tilsammen svarer til et glukosemolekyle, det produkt, der ses i fotosyntese ligningen. Selv om dette er den vigtigste fødekilde for planter og dyr, kan disse 3-kulstofskeletter kombineres i mange forskellige former. En strukturel form, der er værd at bemærke, er cellulose og ekstremt stærkt fibrøst materiale, der i det væsentlige består af strenge af glukose. Udover sukker og sukkerbaserede molekyler er ilt det andet hovedprodukt af fotosyntese. Ilt skabt af fotosyntese brænder enhver indåndende organisme på planeten.
Quiz
1. For at gennemføre Calvin-cyklussen er der brug for kuldioxid. Kuldioxid når det indre af planten via stomata eller små huller i overfladen af et blad. For at undgå vandtab og total dehydrering på varme dage lukker planter deres stomata. Kan planter fortsætte med at gennemgå fotosyntese?
A. Ja, så længe der er lys
B. Nej, uden CO2 kan processen ikke fortsætte
C. Kun lysreaktionen fortsætter
2. Hvorfor er produkterne fra fotosyntese vigtige for ikke-fotosyntetiske organismer?
A. Det er grundlaget for mest energi på jorden
B. De har brug for de mindre næringsstoffer, der er samlet af planter
C. De er ikke vigtige for obligatoriske kødædere
3. Hvorfor har planter brug for vand?
A. Til fotosyntese
B. Til struktur
C. At overføre næringsstoffer
D. Alt ovenstående