Definiție fotosinteză
Fotosinteza este calea biochimică care convertește energia luminii în legăturile moleculelor de glucoză. Procesul de fotosinteză are loc în doi pași. În primul pas, energia provenită de la lumină este stocată în legăturile adenozin trifosfat (ATP) și fosfat de nicotinamidă adenină dinucleotidică (NADPH). Acești doi cofactori de stocare a energiei sunt apoi folosiți în a doua etapă a fotosintezei pentru a produce molecule organice prin combinarea moleculelor de carbon derivate din dioxidul de carbon (CO2). Al doilea pas al fotosintezei este cunoscut sub numele de Ciclul Calvin. Aceste molecule organice pot fi apoi utilizate de mitocondrii pentru a produce ATP sau pot fi combinate pentru a forma glucoză, zaharoză și alți carbohidrați. Ecuația chimică pentru întregul proces poate fi văzută mai jos.
Ecuația fotosintezei
Mai sus este reacția generală pentru fotosinteză. Folosind energia din lumină și hidrogenii și electronii din apă, planta combină carbonii din dioxidul de carbon în molecule mai complexe. În timp ce o moleculă cu 3 carbon este rezultatul direct al fotosintezei, glucoza este pur și simplu două dintre aceste molecule combinate și este adesea reprezentată ca rezultatul direct al fotosintezei datorită faptului că glucoza este o moleculă fundamentală în multe sisteme celulare. De asemenea, veți observa că sunt produse 6 molecule de oxigen gazos, ca subprodus. Planta poate folosi acest oxigen în mitocondriile sale în timpul fosforilării oxidative. În timp ce o parte din oxigen este utilizată în acest scop, o mare parte este expulzată în atmosferă și ne permite să respirăm și să ne supunem la propria fosforilare oxidativă, pe molecule de zahăr derivate din plante. De asemenea, veți observa că această ecuație arată apă pe ambele părți. Acest lucru se datorează faptului că 12 molecule de apă sunt împărțite în timpul reacțiilor luminoase, în timp ce 6 molecule noi sunt produse în timpul și după ciclul Calvin. Deși aceasta este ecuația generală pentru întregul proces, există multe reacții individuale care contribuie la această cale.
Etapele fotosintezei
Reacțiile la lumină
Reacțiile la lumină se produc în membranele tilacoide ale cloroplastelor celulelor vegetale. Tilakoidele au grupuri de proteine și enzime dens ambalate, cunoscute sub numele de fotosisteme. Există două dintre aceste sisteme, care funcționează împreună pentru a elimina electronii și hidrogenii din apă și a le transfera în cofactorii ADP și NADP +. Aceste fotosisteme au fost denumite în ordinea în care au fost descoperite, ceea ce este opus modului în care curg electronii prin ele. După cum se vede în imaginea de mai jos, electronii excitați de energia luminii circulă mai întâi prin fotosistemul II (PSII), și apoi prin fotosistemul I (PSI) pe măsură ce creează NADPH. ATP este creat de proteina ATP sintază, care folosește acumularea de atomi de hidrogen pentru a determina adăugarea grupărilor fosfat la ADP.
Întregul sistem funcționează după cum urmează. Un fotosistem este alcătuit din diverse proteine care înconjoară și conectează o serie de molecule de pigment. Pigmenții sunt molecule care absorb diferiți fotoni, permițând electronii lor să fie excitați. Clorofila a este pigmentul principal utilizat în aceste sisteme și colectează transferul final de energie înainte de a elibera un electron. Photosystem II începe acest proces de electroni folosind energia luminii pentru a diviza o moleculă de apă, care eliberează hidrogenul în timp ce sifonează electronii. Electronii sunt trecuți apoi prin plastochinonă, un complex enzimatic care eliberează mai mulți hidrogeni în spațiul tilacoid. Electronii curg apoi printr-un complex citocrom și plastocianină pentru a ajunge la fotosistemul I. Aceste trei complexe formează un lanț de transport al electronilor, la fel ca cel observat în mitocondrii. Photosystem I folosește apoi acești electroni pentru a determina reducerea NADP + la NADPH. ATP suplimentar produs în timpul reacțiilor la lumină provine de la ATP sintază, care folosește gradientul mare de molecule de hidrogen pentru a conduce la formarea ATP.
Ciclul Calvin
Cu purtătorii săi de electroni NADPH și ATP încărcat cu electroni, planta este acum gata să creeze energie stocabilă. Acest lucru se întâmplă în timpul ciclului Calvin, care este foarte asemănător ciclului acidului citric observat în mitocondrii. Cu toate acestea, ciclul acidului citric creează ATP alți purtători de electroni din molecule de 3-carbon, în timp ce ciclul Calvin produce aceste produse cu utilizarea NADPH și ATP. Ciclul are 3 faze, după cum se vede în graficul de mai jos.
În prima fază, un carbon este adăugat unui zahăr cu 5 carbon, creând un zahăr instabil cu 6 carbon. În faza a doua, acest zahăr este redus în două molecule stabile de zahăr cu 3 carbon.Unele dintre aceste molecule pot fi utilizate în alte căi metabolice și sunt exportate. Restul rămân să continue ciclismul prin ciclul Calvin. În a treia fază, zahărul cu cinci carbonuri este regenerat pentru a începe procesul din nou. Ciclul Calvin apare în stroma unui cloroplast. Deși nu sunt considerate parte a ciclului Calvin, aceste produse pot fi utilizate pentru a crea o varietate de zaharuri și molecule structurale.
Produsele fotosintezei
Produsele directe ale reacțiilor luminoase și ale Ciclul Calvin sunt 3-fosfogliceratul și G3P, două forme diferite ale unei molecule de zahăr cu 3 carbon. Două dintre aceste molecule combinate sunt egale cu o moleculă de glucoză, produsul văzut în ecuația fotosintezei. Deși aceasta este principala sursă de hrană pentru plante și animale, aceste schelete cu 3 carbon pot fi combinate în mai multe forme diferite. O formă structurală demnă de remarcat este celuloza și un material fibros extrem de puternic, realizat în esență din șiruri de glucoză. Pe lângă zaharuri și molecule pe bază de zahăr, oxigenul este celălalt produs principal al fotosintezei. Oxigenul creat din fotosinteză alimentează fiecare organism care respiră pe planetă.
Test
1. Pentru a finaliza ciclul Calvin, este nevoie de dioxid de carbon. Dioxidul de carbon ajunge în interiorul plantei prin stomate sau găuri mici în suprafața unei frunze. Pentru a evita pierderile de apă și deshidratarea totală în zilele toride, plantele își închid stomatele. Plantele pot continua să fie supuse fotosintezei?
A. Da, atâta timp cât există lumină
B. Nu, fără CO2 procesul nu poate continua
C. Doar reacția ușoară va continua
2. De ce sunt importante produsele fotosintezei pentru organismele non-fotosintetice?
A. Este baza majorității energiei de pe Pământ
B. Au nevoie de substanțele nutritive minore asamblate de plante
C. Nu sunt importante pentru carnivorele obligatorii
3. De ce plantele au nevoie de apă?
A. Pentru fotosinteză
B. Pentru structură
C. Pentru a transfera nutrienți
D. Toate cele de mai sus