Definisjon av fotosyntese
Fotosyntese er den biokjemiske banen som omdanner lysets energi til bindingen av glukosemolekyler. Prosessen med fotosyntese skjer i to trinn. I det første trinnet lagres energi fra lys i bindingene av adenosintrifosfat (ATP) og nikotinamidadenindinukleotidfosfat (NADPH). Disse to energilagrende kofaktorene blir deretter brukt i det andre trinnet av fotosyntese for å produsere organiske molekyler ved å kombinere karbonmolekyler avledet fra karbondioksid (CO2). Det andre trinnet med fotosyntese er kjent som Calvin Cycle. Disse organiske molekylene kan deretter brukes av mitokondrier til å produsere ATP, eller de kan kombineres for å danne glukose, sukrose og andre karbohydrater. Den kjemiske ligningen for hele prosessen kan sees nedenfor.
Fotosyntese-ligning
Ovenfor er den samlede reaksjonen for fotosyntese. Ved å bruke energien fra lys og hydrogener og elektroner fra vann, kombinerer planten karbonene som finnes i karbondioksid i mer komplekse molekyler. Mens et 3-karbonmolekyl er det direkte resultatet av fotosyntese, er glukose ganske enkelt to av disse molekylene kombinert, og blir ofte representert som det direkte resultatet av fotosyntese på grunn av at glukose er et grunnleggende molekyl i mange cellulære systemer. Du vil også legge merke til at det produseres 6 gassformede oksygenmolekyler, som et biprodukt. Anlegget kan bruke dette oksygenet i mitokondriene under oksidativ fosforylering. Mens noe av oksygenet brukes til dette formålet, drives en stor del ut i atmosfæren og lar oss puste og gjennomgå vår egen oksidative fosforylering på sukkermolekyler avledet fra planter. Du vil også merke at denne ligningen viser vann på begge sider. Det er fordi 12 vannmolekyler blir delt under lysreaksjonene, mens 6 nye molekyler produseres under og etter Calvin-syklusen. Selv om dette er den generelle ligningen for hele prosessen, er det mange individuelle reaksjoner som bidrar til denne veien.
Stadier av fotosyntese
Lysreaksjonene
Lysreaksjonene skjer i tylakoidmembranene til kloroplaster i planteceller. Thylakoids har tettpakket protein og enzym klynger kjent som fotosystemer. Det er to av disse systemene, som fungerer sammen med hverandre for å fjerne elektroner og hydrogener fra vann og overføre dem til kofaktorene ADP og NADP +. Disse fotosystemene ble kalt i den rekkefølgen de ble oppdaget, noe som er motsatt av hvordan elektroner strømmer gjennom dem. Som vist på bildet nedenfor strømmer elektroner som blir begeistret av lysenergi først gjennom fotosystem II (PSII), og deretter gjennom fotosystem I (PSI) når de lager NADPH. ATP er skapt av proteinet ATP-syntase, som bruker opphopning av hydrogenatomer for å drive tilsetningen av fosfatgrupper til ADP.
Hele systemet fungerer som følger. Et fotosystem består av forskjellige proteiner som omgir og forbinder en serie pigmentmolekyler. Pigmenter er molekyler som absorberer forskjellige fotoner, slik at elektronene deres blir begeistret. Klorofyll a er det viktigste pigmentet som brukes i disse systemene, og samler den endelige energioverføringen før den frigjør et elektron. Photosystem II starter denne prosessen med elektroner ved å bruke lysenergien til å splitte et vannmolekyl, som frigjør hydrogenet mens det siles av elektronene. Elektronene føres deretter gjennom plastokinon, et enzymkompleks som frigjør mer hydrogen i tylakoidrommet. Elektronene strømmer deretter gjennom et cytokromkompleks og plastocyanin for å nå fotosystem I. Disse tre kompleksene danner en elektrontransportkjede, omtrent som den man ser i mitokondrier. Fotosystem I bruker deretter disse elektronene til å drive reduksjonen av NADP + til NADPH. Den ekstra ATP laget under lysreaksjonene kommer fra ATP-syntase, som bruker den store gradienten av hydrogenmolekyler for å drive dannelsen av ATP.
Calvin-syklusen
Med sine elektronbærere NADPH og ATP alt lastet opp med elektroner, er anlegget nå klart til å skape lagringsbar energi. Dette skjer i løpet av Calvin-syklusen, som er veldig lik sitronsyresyklusen sett i mitokondrier. Imidlertid skaper sitronsyresyklusen ATP andre elektronbærere fra 3-karbonmolekyler, mens Calvin-syklusen produserer disse produktene ved bruk av NADPH og ATP. Syklusen har tre faser, som vist i grafikken nedenfor.
I løpet av den første fasen tilsettes et karbon til et 5-karbon sukker, noe som skaper et ustabilt 6-karbon sukker. I fase to reduseres dette sukkeret til to stabile 3-karbon sukkermolekyler.Noen av disse molekylene kan brukes i andre metabolske veier, og eksporteres. Resten gjenstår å fortsette å sykle gjennom Calvin-syklusen. I løpet av den tredje fasen regenereres fem-karbon sukkeret for å starte prosessen på nytt. Calvin-syklusen forekommer i stroma av en kloroplast. Selv om de ikke betraktes som en del av Calvin-syklusen, kan disse produktene brukes til å lage en rekke sukkerarter og strukturelle molekyler.
Produkter av fotosyntese
De direkte produktene fra lysreaksjonene og Calvin-syklusen er 3-fosfoglyserat og G3P, to forskjellige former for et 3-karbon sukkermolekyl. To av disse molekylene tilsammen tilsvarer ett glukosemolekyl, produktet som sees i fotosyntese-ligningen. Selv om dette er den viktigste næringskilden for planter og dyr, kan disse 3-karbonskjelettene kombineres i mange forskjellige former. En strukturell form som er verdt å merke seg er cellulose, og ekstremt sterkt fibermateriale laget hovedsakelig av glukosestrenger. Foruten sukker og sukkerbaserte molekyler, er oksygen det andre hovedproduktet av fotosyntese. Oksygen opprettet fra fotosyntese gir drivstoff til hver eneste organiserende organisme på planeten.
Quiz
1. For å fullføre Calvin-syklusen er det behov for karbondioksid. Karbondioksid når det indre av planten via stomata, eller små hull i overflaten av et blad. For å unngå vanntap og total dehydrering på varme dager, lukker planter stomataen. Kan planter fortsette å gjennomgå fotosyntese?
A. Ja, så lenge det er lys
B. Nei, uten CO2 kan prosessen ikke fortsette
C. Bare lysreaksjonen vil fortsette
2. Hvorfor er produktene fra fotosyntese viktige for ikke-fotosyntetiske organismer?
A. Det er grunnlaget for mest energi på jorden
B. De trenger mindre næringsstoffer samlet av planter
C. De er ikke viktige for obligatoriske rovdyr
3. Hvorfor trenger planter vann?
A. For fotosyntese
B. For struktur
C. Å overføre næringsstoffer
D. Alt det ovennevnte