Fotosynteza - definicja, równanie i produkty

Definicja fotosyntezy

Fotosynteza to ścieżka biochemiczna, która przekształca energię światła w wiązania cząsteczek glukozy. Proces fotosyntezy przebiega dwuetapowo. W pierwszym etapie energia światła jest magazynowana w wiązaniach trifosforanu adenozyny (ATP) i fosforanu dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (NADPH). Te dwa kofaktory magazynujące energię są następnie wykorzystywane w drugim etapie fotosyntezy do wytwarzania cząsteczek organicznych poprzez łączenie cząsteczek węgla pochodzących z dwutlenku węgla (CO2). Drugi etap fotosyntezy jest znany jako cykl Calvina. Te cząsteczki organiczne mogą być następnie wykorzystywane przez mitochondria do produkcji ATP lub mogą być łączone w celu utworzenia glukozy, sacharozy i innych węglowodanów. Równanie chemiczne dla całego procesu można zobaczyć poniżej.

Równanie fotosyntezy

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

Powyżej przedstawiono ogólną reakcję na fotosyntezę. Wykorzystując energię światła oraz wodory i elektrony z wody, roślina łączy węgle znajdujące się w dwutlenku węgla w bardziej złożone cząsteczki. Podczas gdy cząsteczka 3-węglowa jest bezpośrednim wynikiem fotosyntezy, glukoza to po prostu dwie z tych połączonych cząsteczek i często jest przedstawiana jako bezpośredni wynik fotosyntezy, ponieważ glukoza jest podstawową cząsteczką w wielu układach komórkowych. Zauważysz również, że 6 cząsteczek gazowego tlenu jest wytwarzanych jako produkt uboczny. Roślina może wykorzystywać ten tlen w swoich mitochondriach podczas fosforylacji oksydacyjnej. Podczas gdy część tlenu jest wykorzystywana do tego celu, duża jego część jest wydalana do atmosfery i pozwala nam oddychać i podlegać naszej własnej fosforylacji oksydacyjnej na cząsteczkach cukru pochodzących z roślin. Zauważysz również, że to równanie pokazuje wodę po obu stronach. Dzieje się tak, ponieważ 12 cząsteczek wody zostaje rozszczepionych podczas reakcji świetlnych, podczas gdy 6 nowych cząsteczek jest wytwarzanych podczas i po cyklu Calvina. Chociaż jest to ogólne równanie całego procesu, istnieje wiele indywidualnych reakcji, które składają się na ten szlak.

Etapy fotosyntezy

Reakcje świetlne

Reakcje świetlne zachodzą w błonach tylakoidów chloroplastów komórek roślinnych. Tylakoidy mają gęsto upakowane skupiska białek i enzymów znane jako fotosystemy. Istnieją dwa z tych układów, które współpracują ze sobą, usuwając elektrony i wodory z wody i przenosząc je do kofaktorów ADP i NADP +. Te fotosystemy zostały nazwane w kolejności, w jakiej zostały odkryte, co jest przeciwieństwem tego, jak przepływają przez nie elektrony. Jak widać na poniższym obrazku, elektrony wzbudzone przez energię światła przepływają najpierw przez fotosystem II (PSII), a następnie przez fotosystem I (PSI), gdy tworzą NADPH. ATP jest tworzony przez syntazę białkową ATP, która wykorzystuje gromadzenie się atomów wodoru do napędzania dodawania grup fosforanowych do ADP.

Cały system działa w następujący sposób. Fotosystem składa się z różnych białek, które otaczają i łączą szereg cząsteczek pigmentu. Pigmenty to cząsteczki, które pochłaniają różne fotony, umożliwiając wzbudzenie ich elektronów. Chlorofil a jest głównym pigmentem używanym w tych układach i zbiera ostateczny transfer energii przed uwolnieniem elektronu. Fotoukład II rozpoczyna ten proces elektronów, wykorzystując energię światła do rozszczepienia cząsteczki wody, która uwalnia wodór, jednocześnie odprowadzając elektrony. Elektrony przechodzą następnie przez plastochinon, kompleks enzymów, który uwalnia więcej wodorów do przestrzeni tylakoidów. Następnie elektrony przepływają przez kompleks cytochromu i plastocyjaninę, aby dotrzeć do fotosystemu I. Te trzy kompleksy tworzą łańcuch transportu elektronów, podobny do tego obserwowanego w mitochondriach. Fotoukład I wykorzystuje następnie te elektrony do napędzania redukcji NADP + do NADPH. Dodatkowy ATP wytwarzany podczas reakcji świetlnych pochodzi z syntazy ATP, która wykorzystuje duży gradient cząsteczek wodoru do napędzania tworzenia ATP.

Cykl Calvina

Ze swoimi nośnikami elektronów NADPH i ATP, wszystkie naładowane elektronami, roślina jest teraz gotowa do wytwarzania energii, którą można przechowywać. Dzieje się to podczas cyklu Calvina, który jest bardzo podobny do cyklu kwasu cytrynowego obserwowanego w mitochondriach. Jednak cykl kwasu cytrynowego tworzy ATP inne nośniki elektronów z cząsteczek 3-węglowych, podczas gdy cykl Calvina wytwarza te produkty przy użyciu NADPH i ATP. Cykl składa się z 3 faz, jak pokazano na poniższej ilustracji.

Podczas pierwszej fazy węgiel jest dodawany do 5-węglowego cukru, tworząc niestabilny 6-węglowy cukier. W fazie drugiej cukier ten jest redukowany do dwóch stabilnych 3-węglowych cząsteczek cukru.Niektóre z tych cząsteczek mogą być wykorzystywane w innych szlakach metabolicznych i są eksportowane. Reszta pozostaje, aby kontynuować cykl Calvina. Podczas trzeciej fazy, pięciowęglowy cukier jest regenerowany, aby rozpocząć proces od nowa. Cykl Calvina występuje w zrębie chloroplastu. Chociaż nie są uważane za część cyklu Calvina, produkty te mogą być używane do tworzenia różnych cukrów i cząsteczek strukturalnych.

Produkty fotosyntezy

Bezpośrednie produkty reakcji świetlnych i Cykl Calvina to 3-fosfoglicerynian i G3P, dwie różne formy 3-węglowej cząsteczki cukru. Dwie z tych cząsteczek razem dają jedną cząsteczkę glukozy, produkt widoczny w równaniu fotosyntezy. Chociaż jest to główne źródło pożywienia dla roślin i zwierząt, te 3-węglowe szkielety można łączyć w wiele różnych form. Wartą odnotowania formą strukturalną jest celuloza i niezwykle mocny materiał włóknisty składający się głównie ze sznurków glukozy. Oprócz cukrów i cząsteczek na bazie cukru, głównym produktem fotosyntezy jest tlen. Tlen wytworzony w wyniku fotosyntezy napędza każdy oddychający organizm na naszej planecie.

Quiz

1. Aby zakończyć cykl Calvina, potrzebny jest dwutlenek węgla. Dwutlenek węgla dociera do wnętrza rośliny przez aparaty szparkowe, czyli małe dziury w powierzchni liścia. Aby uniknąć utraty wody i całkowitego odwodnienia w upalne dni, rośliny zamykają aparaty szparkowe. Czy rośliny mogą nadal ulegać fotosyntezie?
A. Tak, o ile jest światło
B. Nie, bez CO2 proces nie może być kontynuowany
C. Tylko nieznaczna reakcja będzie kontynuowana

Odpowiedź na pytanie nr 1

B jest poprawna. Bez możliwości wymiany tlenu z dwutlenkiem węgla, cykl Calvina w roślinie zostanie zamknięty. Zamiast tego białko odpowiedzialne za wiązanie dwutlenku węgla zacznie wiązać się z tlenem. Bez miejsca na ATP i NADPH, te stężenia staną się przesycone i mogą zacząć obniżać pH w komórce. Rośliny wyewoluowały wiele odpowiedzi na to, takich jak fotooddychanie, ścieżka C4 i ścieżka CAM.

2. Dlaczego produkty fotosyntezy są ważne dla organizmów niefotosyntetycznych?
A. Jest podstawą większości energii na Ziemi
B. Potrzebują drobnych składników odżywczych zebranych przez rośliny
C. Nie są one ważne dla bezwzględnych drapieżników

Odpowiedź na pytanie nr 2

A jest poprawna. W badaniu ekologicznych sieci pokarmowych organizmy zdolne do fotosyntezy nazywane są pierwotnymi producentami. Nawet bezwzględne drapieżniki lub zwierzęta, które jedzą tylko mięso, czerpią energię ze słońca. Poza dziwnymi bakteriami siarkowymi i innymi pomniejszymi grupami pierwotnych producentów, większość zmagazynowanej energii chemicznej, na której polegają zwierzęta, pochodzi bezpośrednio z fotosyntezy.

3. Dlaczego rośliny potrzebują wody?
A. Do fotosyntezy
B. Struktura
C. Do przenoszenia składników odżywczych
D. Wszystkie powyższe

Odpowiedź na pytanie nr 3

D jest poprawna. Rośliny wykorzystują wodę do wszystkich powyższych celów. Stały przepływ wody z korzeni do liści przenosi niezbędne składniki odżywcze. Cząsteczki wody są następnie rozszczepiane, a różne składniki są wykorzystywane do wytwarzania energii chemicznej. Ponadto, gdy woda wpycha się do komórek, ściany komórkowe dociskają się do siebie, zapewniając roślinie podporę i strukturę.