Fotosyntes - Definition, ekvation och produkter

Definition av fotosyntes

Fotosyntes är den biokemiska vägen som omvandlar ljusets energi till glukosmolekylernas bindningar. Processen för fotosyntes sker i två steg. I det första steget lagras energi från ljus i bindningarna av adenosintrifosfat (ATP) och nikotinamidadenindinukleotidfosfat (NADPH). Dessa två energilagrande kofaktorer används sedan i det andra steget av fotosyntes för att producera organiska molekyler genom att kombinera kolmolekyler härledda från koldioxid (CO2). Det andra steget i fotosyntes är känt som Calvin Cycle. Dessa organiska molekyler kan sedan användas av mitokondrier för att producera ATP, eller de kan kombineras för att bilda glukos, sackaros och andra kolhydrater. Den kemiska ekvationen för hela processen kan ses nedan.

Fotosyntesekvation

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

Ovan är den övergripande reaktionen för fotosyntes. Med hjälp av energi från ljus och väten och elektroner från vatten kombinerar växten kol som finns i koldioxid i mer komplexa molekyler. Medan en 3-kolmolekyl är det direkta resultatet av fotosyntes är glukos helt enkelt två av dessa molekyler kombinerade och representeras ofta som det direkta resultatet av fotosyntes på grund av att glukos är en grundläggande molekyl i många cellulära system. Du kommer också att märka att 6 gasformiga syremolekyler produceras, som en biprodukt. Växten kan använda detta syre i dess mitokondrier under oxidativ fosforylering. Medan en del av syret används för detta ändamål, kastas en stor del ut i atmosfären och låter oss andas och genomgå vår egen oxidativa fosforylering på sockermolekyler härrörande från växter. Du kommer också att märka att denna ekvation visar vatten på båda sidor. Det beror på att 12 vattenmolekyler delas upp under ljusreaktionerna, medan 6 nya molekyler produceras under och efter Calvin-cykeln. Även om detta är den allmänna ekvationen för hela processen finns det många enskilda reaktioner som bidrar till denna väg.

Stadier av fotosyntes

Ljusreaktionerna

Ljusreaktionerna inträffar i tylakoidmembranet i kloroplasterna i växtceller. Thylakoids har tätt packade protein- och enzymkluster som kallas fotosystem. Det finns två av dessa system som arbetar tillsammans med varandra för att ta bort elektroner och väten från vatten och överföra dem till medfaktorerna ADP och NADP +. Dessa fotosystem namngavs i den ordning de upptäcktes, vilket är motsatt av hur elektroner flyter genom dem. Som framgår av bilden nedan flödar elektroner upphetsade av ljusenergi först genom fotosystem II (PSII) och sedan genom fotosystem I (PSI) när de skapar NADPH. ATP skapas av proteinet ATP-syntas, som använder uppbyggnaden av väteatomer för att driva tillsättningen av fosfatgrupper till ADP.

Hela systemet fungerar enligt följande. Ett fotosystem består av olika proteiner som omger och förbinder en serie pigmentmolekyler. Pigment är molekyler som absorberar olika fotoner, vilket gör att deras elektroner kan bli upphetsade. Klorofyll a är det viktigaste pigmentet som används i dessa system och samlar den slutliga energiöverföringen innan den släpper ut en elektron. Photosystem II startar denna process av elektroner genom att använda ljusenergin för att dela upp en vattenmolekyl, som släpper ut väte medan den suger bort elektronerna. Elektronerna passeras sedan genom plastokinon, ett enzymkomplex som släpper ut fler väten i tylakoidutrymmet. Elektronerna flödar sedan genom ett cytokromkomplex och plastocyanin för att nå fotosystem I. Dessa tre komplex bildar en elektrontransportkedja, ungefär som den som ses i mitokondrier. Fotosystem I använder sedan dessa elektroner för att driva reduktionen av NADP + till NADPH. Ytterligare ATP som görs under ljusreaktionerna kommer från ATP-syntas, som använder den stora gradienten av vätemolekyler för att driva bildningen av ATP. och ATP alla laddade med elektroner är anläggningen nu redo att skapa lagringsenergi. Detta händer under Calvin-cykeln, som är mycket lik citronsyracykeln som ses i mitokondrier. Emellertid skapar citronsyracykeln ATP andra elektronbärare från 3-kolmolekyler, medan Calvin-cykeln producerar dessa produkter med användning av NADPH och ATP. Cykeln har tre faser, vilket framgår av bilden nedan.

Under den första fasen tillsätts ett kol till ett 5-kolsocker, vilket skapar ett instabilt 6-kolsocker. I fas två reduceras detta socker till två stabila 3-kol sockermolekyler.Några av dessa molekyler kan användas i andra metaboliska vägar och exporteras. Resten återstår för att fortsätta cykla genom Calvin-cykeln. Under den tredje fasen regenereras femkolinsockret för att starta processen igen. Calvin-cykeln inträffar i kloroplaststroma. Även om de inte anses vara en del av Calvin-cykeln kan dessa produkter användas för att skapa en mängd olika sockerarter och strukturella molekyler.

Produkter av fotosyntes

De direkta produkterna från ljusreaktionerna och Calvin-cykler är 3-fosfoglycerat och G3P, två olika former av en 3-kolsockermolekyl. Två av dessa molekyler kombinerade är lika med en glukosmolekyl, den produkt som ses i fotosyntesekvationen. Även om detta är den viktigaste matkällan för växter och djur, kan dessa 3-kolskelett kombineras i många olika former. En strukturell form som är värt att notera är cellulosa och extremt starkt fibröst material som huvudsakligen består av strängar glukos. Förutom socker och sockerbaserade molekyler är syre den andra huvudprodukten av fotosyntes. Syre som skapats från fotosyntes driver alla inblickande organismar på planeten.

Quiz

1. För att slutföra Calvin-cykeln behövs koldioxid. Koldioxid når det inre av växten via stomata eller små hål i bladets yta. För att undvika vattenförlust och total uttorkning på varma dagar stänger växterna sin mage. Kan växter fortsätta att genomgå fotosyntes?
A. Ja, så länge det finns ljus
B. Nej, utan CO2 kan processen inte fortsätta
C. Endast ljusreaktionen fortsätter

Svar på fråga nr 1

B är korrekt. Utan förmågan att utbyta syre med koldioxid stängs anläggningens Calvin-cykel. Proteinet som ansvarar för fixering av koldioxid börjar istället bindas med syre. Utan plats för ATP och NADPH kommer dessa koncentrationer att bli övermättade och kan börja sänka pH i cellen. Växter har utvecklat många svar på detta, såsom fotorespiration, C4-vägen och CAM-vägen.

2. Varför är produkterna från fotosyntes viktiga för icke-fotosyntetiska organismer?
A. Det är grunden för mest energi på jorden
B. De behöver de mindre näringsämnen som samlats av växter
C. De är inte viktiga för obligatoriska köttätare

Svar på fråga nr 2

A är korrekt. I studien av ekologiska livsmedelsbanor är organismer med förmåga att fotosyntetisera kända som primära producenter. Till och med obligatoriska köttätare, eller djur som bara äter kött, hämtar sin energi från solen. Förutom konstiga svavelbakterier och andra mindre grupper av primärproducenter kommer majoriteten av den lagrade kemiska energin som djuren litar på direkt från fotosyntes.

3. Varför behöver växter vatten?
A. För fotosyntes
B. För struktur
C. Att överföra näringsämnen
D. Allt ovanstående

Svar på fråga # 3

D är korrekt. Växter använder vatten för alla ovanstående ändamål. Det konstanta flödet av vatten från rötterna till bladen överför viktiga näringsämnen. Vattenmolekyler delas sedan upp och de olika komponenterna används för att generera kemisk energi. Vidare, när vatten trycker in i cellerna, skjuter cellväggarna ihop för att ge växten stöd och struktur.