Fotosynteesi - määritelmä, yhtälö ja tuotteet

Fotosynteesin määrittely

Fotosynteesi on biokemiallinen reitti, joka muuntaa valon energian glukoosimolekyylien sidoksiksi. Fotosynteesiprosessi tapahtuu kahdessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa valon energia varastoidaan adenosiinitrifosfaatin (ATP) ja nikotiiniamidiadeniinidinukleotidifosfaatin (NADPH) sidoksiin. Näitä kahta energiaa varastoivaa kofaktoria käytetään sitten fotosynteesin toisessa vaiheessa orgaanisten molekyylien tuottamiseksi yhdistämällä hiilidioksidista (CO2) peräisin olevia hiilimolekyylejä. Fotosynteesin toinen vaihe tunnetaan nimellä Calvin Cycle. Mitokondriot voivat sitten käyttää näitä orgaanisia molekyylejä ATP: n tuottamiseksi tai ne voidaan yhdistää muodostamaan glukoosia, sakkaroosia ja muita hiilihydraatteja. Koko prosessin kemiallinen yhtälö näkyy alla.

Fotosynteesiyhtälö

6 CO2 + 6 H2O + valo – > C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

Yllä on yleinen reaktio fotosynteesille. Käyttämällä valon energiaa ja vedestä peräisin olevia vetyjä ja elektroneja kasvi yhdistää hiilidioksidissa esiintyvät hiilet monimutkaisemmiksi molekyyleiksi. Vaikka 3-hiilimolekyyli on suora tulos fotosynteesistä, glukoosi on yksinkertaisesti kaksi näistä molekyyleistä yhdistettynä ja se esitetään usein fotosynteesin suorana seurauksena, koska glukoosi on perustava molekyyli monissa solujärjestelmissä. Huomaat myös, että sivutuotteena tuotetaan kuusi kaasumaista happimolekyyliä. Kasvi voi käyttää tätä happea mitokondrioissaan oksidatiivisen fosforylaation aikana. Vaikka osa hapesta käytetään tähän tarkoitukseen, suuri osa karkotetaan ilmakehään ja antaa meille mahdollisuuden hengittää ja käydä läpi oma oksidatiivinen fosforylaatio kasveista peräisin olevilla sokerimolekyyleillä. Huomaat myös, että tämä yhtälö osoittaa vettä molemmilta puolilta. Tämä johtuu siitä, että 12 vesimolekyyliä hajoaa valoreaktioiden aikana, kun taas 6 uutta molekyyliä tuotetaan Calvin-syklin aikana ja sen jälkeen. Vaikka tämä on koko prosessin yleinen yhtälö, on monia yksittäisiä reaktioita, jotka edistävät tätä reittiä.

Photosynthesis-vaiheet

Valoreaktiot

Valoreaktiot tapahtuvat kasvisolujen kloroplastien tyliakoidikalvoissa. Tylakoideissa on tiheästi pakattuja proteiini- ja entsyymiklustereita, jotka tunnetaan nimellä fotosysteemit. Näitä järjestelmiä on kaksi, jotka toimivat yhdessä toistensa kanssa elektronien ja vetyjen poistamiseksi vedestä ja siirtämiseksi kofaktoreihin ADP ja NADP +. Nämä valojärjestelmät nimettiin siinä järjestyksessä kuin ne löydettiin, mikä on päinvastaista kuin elektronit virtaavat niiden läpi. Kuten alla olevasta kuvasta nähdään, valon energian virittämät elektronit virtaavat ensin fotosysteemin II (PSII) ja sitten valojärjestelmän I (PSI) läpi, kun ne luovat NADPH: n. ATP syntyy proteiini-ATP-syntaasista, joka käyttää vetyatomien muodostumista ajaakseen fosfaattiryhmien lisäämisen ADP: hen.

Koko järjestelmä toimii seuraavasti. Valojärjestelmä koostuu erilaisista proteiineista, jotka ympäröivät ja yhdistävät sarjan pigmenttimolekyylejä. Pigmentit ovat molekyylejä, jotka absorboivat erilaisia fotoneja, jolloin niiden elektronit innostuvat. Klorofylli a on tärkein pigmentti, jota näissä järjestelmissä käytetään, ja se kerää lopullisen energiansiirron ennen elektronin vapauttamista. Photosystem II aloittaa tämän elektronien prosessin käyttämällä valoenergiaa vesimolekyylin jakamiseen, joka vapauttaa vetyä samalla kun sifonoi elektronit. Elektronit viedään sitten plasto- kinonin, entsyymikompleksin läpi, joka vapauttaa enemmän vetyjä tylakoiditilaan. Elektronit virtaavat sitten sytokromikompleksin ja plastosyaniinin läpi päästäkseen valojärjestelmään I. Nämä kolme kompleksiä muodostavat elektroninsiirtoketjun, aivan kuten mitokondrioissa nähdään. Photosystem I käyttää sitten näitä elektroneja NADP +: n pelkistyksen ajamiseksi NADPH: ksi. Kevyiden reaktioiden aikana muodostuva ylimääräinen ATP tulee ATP-syntaasista, joka käyttää suurta vetymolekyylien gradienttia ATP: n muodostumisen ajamiseksi. ja kaikki ATP: t ladattu elektronilla, laitos on nyt valmis luomaan varastoitavaa energiaa. Tämä tapahtuu Calvin-syklin aikana, joka on hyvin samanlainen kuin mitokondrioissa havaittu sitruunahapposykli. Sitruunahapposykli luo kuitenkin ATP: n muita elektronikantajia 3-hiilimolekyyleistä, kun taas Calvin-sykli tuottaa näitä tuotteita NADPH: n ja ATP: n avulla. Syklillä on 3 vaihetta, kuten alla olevassa kuvassa näkyy.

Ensimmäisen vaiheen aikana 5-hiiliseen sokeriin lisätään hiiltä, jolloin syntyy epävakaa 6-hiilinen sokeri. Toisessa vaiheessa tämä sokeri pelkistetään kahdeksi stabiiliksi 3-hiilisokerimolekyyliksi.Joitakin näistä molekyyleistä voidaan käyttää muilla metaboliareiteillä, ja ne viedään vientiin. Loput jäävät jatkamaan pyöräilyä Calvin-syklin läpi. Kolmannen vaiheen aikana viiden hiilen sokeri regeneroidaan prosessin aloittamiseksi uudestaan. Calvin-sykli esiintyy kloroplastin stroamassa. Vaikka näitä tuotteita ei pidetä osana Calvin-sykliä, niitä voidaan käyttää erilaisten sokerien ja rakennemolekyylien luomiseen.

Fotosynteesin tuotteet

Valoreaktioiden ja Calvin-sykli ovat 3-fosfoglyseraatti ja G3P, kaksi erilaista 3-hiilisen sokerimolekyylin muotoa. Kaksi näistä molekyyleistä on yhtä kuin yksi glukoosimolekyyli, fotosynteesiyhtälössä nähty tuote. Vaikka tämä on kasvien ja eläinten tärkein ravinnonlähde, nämä 3-hiilihapon luurankot voidaan yhdistää moniin eri muotoihin. Rakennemuoto on huomionarvoinen selluloosa ja erittäin vahva kuitumateriaali, joka on valmistettu pääosin glukoosijonoista. Sokerien ja sokeripohjaisten molekyylien lisäksi happi on toinen fotosynteesin päätuote. Fotosynteesistä syntyvä happi ruokkii kaikkia planeetan hengittäviä organismeja.

Tietokilpailu

1. Calvin-syklin loppuun saattamiseksi tarvitaan hiilidioksidia. Hiilidioksidi saavuttaa kasvin sisäosan stomaten tai pienien reikien kautta lehden pinnalla. Veden menetyksen ja täydellisen kuivumisen välttämiseksi kuumina päivinä kasvit sulkevat sikiöt. Voivatko kasvit jatkaa fotosynteesiä?
A. Kyllä, niin kauan kuin valoa on B. Ei, ilman hiilidioksidia prosessi ei voi jatkua
C. Vain kevyt reaktio jatkuu

Vastaus kysymykseen 1

B on oikea. Ilman kykyä vaihtaa happea hiilidioksidilla laitoksen Calvin-sykli sammuu. Hiilidioksidin kiinnittymisestä vastaava proteiini alkaa sitoutua hapen sijasta. Ilman paikkaa ATP: lle ja NADPH: lle nämä konsentraatiot kyllästyvät ja voivat alkaa laskea pH-arvoa solussa. Kasvit ovat kehittäneet tähän monia vastauksia, kuten valohengitys, C4-reitti ja CAM-reitti.

2. Miksi fotosynteesituotteet ovat tärkeitä ei-fotosynteettisille organismeille?
A. Se on suurin osa maapallon energiasta B. He tarvitsevat kasvien kokoamia pieniä ravintoaineita
C. Ne eivät ole tärkeitä pakollisille lihansyöjille

Vastaus kysymykseen 2

A on oikea. Ekologisten ruokaverkkojen tutkimuksessa organismit, joilla on kyky fotosynteesiin, tunnetaan alkutuottajina. Jopa pakolliset lihansyöjät tai eläimet, jotka syövät vain lihaa, saavat energiansa auringosta. Outojen rikkibakteerien ja muiden alkutuottajien pienten ryhmien lisäksi suurin osa varastoidusta kemiallisesta energiasta, johon eläimet luottavat, tulee suoraan fotosynteesistä.

3. Miksi kasvit tarvitsevat vettä?
A. Fotosynteesille
B. Rakenteelle
C. Ravinteiden siirtäminen
D. Kaikki yllä mainitut

Vastaus kysymykseen 3

D on oikea. Kasvit käyttävät vettä kaikkiin edellä mainittuihin tarkoituksiin. Jatkuva veden virtaus juurista lehtiin siirtää välttämättömiä ravintoaineita. Sitten vesimolekyylit jaetaan ja eri komponentteja käytetään kemiallisen energian tuottamiseen. Edelleen, kun vesi työntyy soluihin, soluseinät työntyvät yhteen antamaan kasville tukea ja rakennetta.