>

Jak a kde v rostlinách probíhá proces fotosyntézy? Oxid uhličitý z fotosyntézy.

Každý živý tvor na planetě potřebuje k přežití jídlo nebo energii. Některé organismy se živí jinými tvory, zatímco jiné si mohou vytvářet vlastní živiny. oni sami produkují jídlo, glukózu, v procesu zvaném fotosyntéza.

Fotosyntéza a dýchání jsou vzájemně propojeny. Výsledkem fotosyntézy je glukóza, která je uložena jako chemická energie v. Tato uložená chemická energie pochází z přeměny anorganického uhlíku (oxidu uhličitého) na organický uhlík. Dýchací proces uvolňuje uloženou chemickou energii.

Kromě potravin, které produkují, rostliny také potřebují k přežití uhlík, vodík a kyslík. Voda absorbovaná z půdy poskytuje vodík a kyslík. Během fotosyntézy se uhlík a voda používají k syntéze jídla. Rostliny také potřebují dusičnany k výrobě aminokyselin (aminokyselina je součástí produkce bílkovin). Kromě toho potřebují k výrobě chlorofylu hořčík.

Poznámka: Živé věci, které závisí na jiných potravinách, se nazývají. Bylinožravci, jako jsou krávy a rostliny živící se hmyzem, jsou příklady heterotrofů. Živé věci, které si vyrábějí vlastní jídlo, se nazývají. Zelené rostliny a řasy jsou příklady autotrofů.

V tomto článku se dozvíte více o tom, jak fotosyntéza probíhá v rostlinách, a o podmínkách nezbytných pro tento proces.

Stanovení fotosyntézy

Fotosyntéza je chemický proces, při kterém rostliny, některé a řasy produkují glukózu a kyslík z oxidu uhličitého a vody, přičemž jako zdroj energie používají pouze světlo.

Tento proces je pro život na Zemi nesmírně důležitý, protože díky němu se uvolňuje kyslík, na kterém závisí celý život.

Proč rostliny potřebují glukózu (jídlo)?

Stejně jako lidé a jiné živé věci i rostliny potřebují jídlo, aby je udrželi naživu. Hodnota glukózy pro rostliny je následující:

  • Glukóza z fotosyntézy se používá během dýchání k uvolnění energie, kterou rostlina potřebuje pro další životně důležité procesy.
  • Rostlinné buňky také přeměňují část glukózy na škrob, který se podle potřeby používá. Z tohoto důvodu se mrtvé rostliny používají jako biomasa, protože ukládají chemickou energii.
  • Glukóza je také potřebná k výrobě dalších chemikálií, jako jsou bílkoviny, tuky a rostlinné cukry, které jsou potřebné pro růst a další důležité procesy.

Fáze fotosyntézy

Proces fotosyntézy je rozdělen do dvou fází: světlé a tmavé.


Světelná fáze fotosyntézy

Jak název napovídá, světelné fáze potřebují sluneční světlo. Při reakcích závislých na světle je energie slunečního záření absorbována chlorofylem a přeměněna na akumulovanou chemickou energii ve formě molekuly elektronového nosiče NADPH (nikotinamidadenindinukleotid fosfát) a energetické molekuly ATP (adenosintrifosfát). Světelné fáze se vyskytují v tylakoidních membránách v chloroplastu.

Temná fáze fotosyntézy nebo Calvinův cyklus

V temné fázi neboli v Calvinově cyklu excitované elektrony ze světelné fáze dodávají energii pro tvorbu sacharidů z molekul oxidu uhličitého. Fáze nezávislé na světle se někdy nazývají Calvinův cyklus kvůli cyklické povaze procesu.

Ačkoli temné fáze nepoužívají světlo jako činidlo (a v důsledku toho se mohou vyskytovat ve dne nebo v noci), ke své funkci potřebují produkty reakcí závislých na světle. Molekuly nezávislé na světle závisí na molekulách nosiče energie - ATP a NADPH - při vytváření nových molekul sacharidů. Po přenosu energie se molekuly nosiče energie vracejí do světelných fází, aby získaly více energetických elektronů. Světlem se navíc aktivuje několik enzymů tmavé fáze.

Fázový diagram fotosyntézy

Poznámka:To znamená, že temné fáze nebudou pokračovat, pokud budou rostliny příliš dlouho zbaveny světla, protože používají produkty světlé fáze.

Struktura listů rostlin

Nemůžeme plně studovat fotosyntézu, aniž bychom věděli více o struktuře listů. List je upraven tak, aby hrál zásadní roli v procesu fotosyntézy.

Vnější struktura listů

  • Náměstí

Jedním z nejdůležitějších rysů rostlin je jejich velká listová plocha. Většina zelených rostlin má široké, ploché a otevřené listy, které dokáží zachytit tolik sluneční energie (slunečního záření), kolik je potřeba pro fotosyntézu.

  • Centrální žíla a řapík

Centrální žíla a řapík jsou spojeny dohromady a tvoří základ listu. Řapík umístí list tak, aby přijímal co nejvíce světla.

  • Listová čepel

Jednoduché listy mají jednu listovou desku a složité listy několik. Listová čepel je jednou z nejdůležitějších složek listu, která se přímo účastní procesu fotosyntézy.

  • Žíly

Síť žil v listech nese vodu ze stonků do listů. Uvolněná glukóza je také směrována do dalších částí rostliny z listů přes žíly. Kromě toho tyto části listu podporují a udržují deskovou desku rovnou pro lepší zachycení slunečního světla. Umístění žil (žilkování) závisí na druhu rostliny.

  • Listová základna

Základna listu je jeho nejnižší část, která je kloubově spojena se stonkem. Často je ve spodní části listu umístěna dvojice palic.

  • Okraj listu

V závislosti na typu rostliny může mít okraj listu jiný tvar, například: celokrajný, zoubkovaný, zoubkovaný, vrubovaný, vroubkovaný atd.

  • Horní část listu

Stejně jako okraj listu má i špička různé tvary, například: ostré, kulaté, tupé, protáhlé, tažené atd.

Vnitřní struktura listů

Níže je podobný diagram vnitřní struktury listových tkání:

  • Pokožka

Kutikula působí jako hlavní ochranná vrstva na povrchu rostliny. To je obvykle silnější v horní části listu. Kutikula je potažena voskovou látkou, která chrání rostlinu před vodou.

  • Pokožka

Epiderma je vrstva buněk, která je kožní tkání listu. Jeho hlavní funkcí je chránit vnitřní tkáně listu před dehydratací, mechanickým poškozením a infekcemi. Reguluje také proces výměny a transpirace plynů.

  • Mezofyl

Mezofyl je hlavní rostlinná tkáň. To je místo, kde probíhá proces fotosyntézy. Ve většině rostlin je mezofyl rozdělen do dvou vrstev: horní je palisáda a dolní houbovitá.

  • Ochranné buňky

Obranné buňky jsou specializované buňky v listové epidermis, které se používají k řízení výměny plynů. Mají ochrannou funkci pro průduchy. Stomatální póry se zvětšují, když je voda volně dostupná, jinak se obranné buňky zpomalí.

  • Stoma

Fotosyntéza závisí na penetraci oxidu uhličitého (CO2) ze vzduchu přes průduchy do tkáně mezofylu. Kyslík (O2), produkovaný jako vedlejší produkt fotosyntézy, opouští rostlinu přes průduchy. Když jsou průduchy otevřené, voda se ztrácí odpařováním a musí být doplněna transpiračním proudem vodou absorbovanou kořeny. Rostliny jsou nuceny vyrovnávat množství absorbovaného CO2 ze vzduchu a ztrátu vody prostřednictvím stomatálních pórů.

Podmínky pro fotosyntézu

Níže jsou uvedeny podmínky, které rostliny potřebují k provedení procesu fotosyntézy:

  • Oxid uhličitý. Bezbarvý zemní plyn bez zápachu, který se nachází ve vzduchu a má vědecké označení CO2. Vzniká při spalování uhlíku a organických sloučenin a také k němu dochází při dýchání.
  • Voda... Čirá kapalná chemikálie, bez zápachu a bez chuti (za normálních podmínek).
  • Lesk.Ačkoli je umělé světlo vhodné i pro rostliny, přirozené sluneční světlo má tendenci vytvářet nejlepší podmínky pro fotosyntézu, protože obsahuje přirozené UV záření, které má na rostliny pozitivní vliv.
  • Chlorofyl.Je to zelený pigment nacházející se v listech rostlin.
  • Živiny a minerály.Chemikálie a organické sloučeniny, které kořeny rostlin absorbují z půdy.

Co vzniká v důsledku fotosyntézy?

  • Glukóza;
  • Kyslík.

(Světelná energie se zobrazuje v závorkách, protože to není důležité)

Poznámka: Rostliny dostávají CO2 ze vzduchu svými listy a vodu z půdy svými kořeny. Světelná energie pochází ze slunce. Výsledný kyslík se uvolňuje do vzduchu z listů. Výsledná glukóza může být přeměněna na jiné látky, jako je škrob, který se používá k ukládání energie.

Pokud faktory podporující fotosyntézu chybí nebo jsou přítomny v nedostatečném množství, může to na rostlinu negativně působit. Například méně světla vytváří příznivé podmínky pro hmyz, který jí listy rostliny, a nedostatek vody se zpomaluje.

Kde probíhá fotosyntéza?

Fotosyntéza probíhá uvnitř rostlinných buněk v malých plastidech nazývaných chloroplasty. Chloroplasty (většinou se nacházejí ve vrstvě mezofylu) obsahují zelenou látku zvanou chlorofyl. Níže jsou uvedeny další části buňky, které s chloroplastem pracují na fotosyntéze.

Struktura rostlinných buněk

Funkce částí rostlinných buněk

  • : poskytuje strukturální a mechanickou podporu, chrání buňky před, fixuje a definuje tvar buňky, řídí rychlost a směr růstu a dává tvar rostlinám.
  • : poskytuje platformu pro většinu enzymem řízených chemických procesů.
  • : působí jako bariéra regulující pohyb látek do a ven z buňky.
  • : jak je popsáno výše, obsahují chlorofyl, zelenou látku, která absorbuje světelnou energii během fotosyntézy.
  • : dutina v buněčné cytoplazmě, která uchovává vodu.
  • : obsahuje genetickou značku (DNA), která řídí buněčnou aktivitu.

Chlorofyl absorbuje světelnou energii potřebnou pro fotosyntézu. Je důležité si uvědomit, že ne všechny barevné vlnové délky světla jsou absorbovány. Rostliny primárně absorbují červené a modré vlny - neabsorbují světlo v zelené oblasti.

Oxid uhličitý z fotosyntézy

Rostliny dostávají oxid uhličitý ze vzduchu přes listy. Oxid uhličitý prosakuje malým otvorem ve spodní části listu - průduchy.

Spodní část listu má volně rozmístěné buňky, takže se oxid uhličitý dostává k dalším buňkám v listech. Umožňuje také kyslíku generovanému během fotosyntézy snadno opustit list.

Oxid uhličitý je přítomen ve vzduchu, který dýcháme, ve velmi nízkých koncentracích a je nezbytným faktorem v temné fázi fotosyntézy.

Světlo v procesu fotosyntézy

List má obvykle velkou plochu, takže může absorbovat hodně světla. Jeho horní povrch je chráněn před ztrátou vody, chorobami a počasím pomocí voskové vrstvy (kutikuly). V horní části listu je místo, kde dopadá světlo. Tato vrstva mezofylu se nazývá palisáda. Je přizpůsoben k absorpci velkého množství světla, protože obsahuje mnoho chloroplastů.

Ve světelných fázích se proces fotosyntézy zvyšuje s větším množstvím světla. Více molekul chlorofylu je ionizovaných a více ATP a NADPH je generováno, pokud jsou světelné fotony zaměřeny na zelený list. I když je světlo ve světelných fázích nesmírně důležité, je třeba poznamenat, že jeho nadměrné množství může poškodit chlorofyl a snížit fotosyntézu.

Světelné fáze nejsou příliš závislé na teplotě, vodě nebo oxidu uhličitém, i když k dokončení procesu fotosyntézy jsou všechny potřebné.

Voda během fotosyntézy

Rostliny získávají vodu potřebnou pro fotosyntézu prostřednictvím svých kořenů. Mají kořenové chloupky, které rostou v půdě. Kořeny mají velkou plochu a tenké stěny, které umožňují snadný průchod vody.

Obrázek ukazuje rostliny a jejich buňky s dostatečným množstvím vody (vlevo) a nedostatkem vody (vpravo).

Poznámka: Kořenové buňky neobsahují chloroplasty, protože jsou obvykle ve tmě a nemohou fotosyntetizovat.

Pokud rostlina neabsorbuje dostatek vody, uschne. Bez vody nebude rostlina schopna fotosyntetizovat dostatečně rychle a může dokonce zemřít.

Jak důležitá je voda pro rostliny?

  • Poskytuje rozpuštěné minerály, které podporují zdraví rostlin;
  • Je médium pro přepravu;
  • Podporuje stabilitu a vzpřímenost;
  • Chladí a zvlhčuje;
  • Umožňuje provádět různé chemické reakce v rostlinných buňkách.

Význam fotosyntézy v přírodě

Biochemický proces fotosyntézy využívá energii ze slunečního světla k přeměně vody a oxidu uhličitého na kyslík a glukózu. Glukóza se používá jako stavební kameny v rostlinách pro růst tkání. Fotosyntéza je tedy způsob, jakým se tvoří kořeny, stonky, listy, květy a plody. Bez procesu fotosyntézy nemohou rostliny růst ani se množit.

  • Producenti

Díky své fotosyntetické schopnosti jsou rostliny známé jako producenti a tvoří páteř téměř každého potravinového řetězce na Zemi. (Řasy jsou ekvivalentem rostlin v). Veškeré jídlo, které jíme, pochází z fotosyntetických organismů. Jíme tyto rostliny přímo nebo jíme zvířata, jako jsou krávy nebo prasata, která konzumují rostlinnou stravu.

  • Páteř potravinového řetězce

Ve vodních systémech tvoří rostliny a řasy také páteř potravinového řetězce. Řasy slouží jako potrava, která zase působí jako zdroj potravy pro větší organismy. Bez fotosyntézy ve vodním prostředí by byl život nemožný.

  • Odstranění oxidu uhličitého

Fotosyntéza přeměňuje oxid uhličitý na kyslík. Během fotosyntézy vstupuje oxid uhličitý z atmosféry do rostliny a poté se uvolňuje jako kyslík. V dnešním světě, kde hladiny oxidu uhličitého stoupají alarmující rychlostí, je jakýkoli proces, který odstraňuje oxid uhličitý z atmosféry, z hlediska životního prostředí důležitý.

  • Cyklus živin

Rostliny a další fotosyntetické organismy hrají zásadní roli v cyklu živin. Dusík ve vzduchu je fixován v rostlinných tkáních a stává se dostupným pro výrobu bílkovin. Stopové prvky nacházející se v půdě mohou být také začleněny do rostlinné tkáně a zpřístupněny býložravcům dále v potravinovém řetězci.

  • Fotosyntetická závislost

Fotosyntéza závisí na intenzitě a kvalitě světla. Na rovníku, kde je po celý rok hojné sluneční světlo a voda není omezujícím faktorem, rostou rostliny vysokou rychlostí a mohou být docela velké. Naopak, fotosyntéza v hlubších částech oceánu je méně častá, protože do těchto vrstev neproniká světlo a ve výsledku je tento ekosystém sterilnější.

Fotosyntéza je proces syntézy organických látek z anorganických díky energii světla. V drtivé většině případů fotosyntézu provádějí rostliny pomocí takových buněčných organel, jako jsou chloroplastyobsahující zelený pigment chlorofyl.

Pokud by rostliny nebyly schopné syntetizovat organickou hmotu, pak by téměř všechny ostatní organismy na Zemi neměly čím živit, protože zvířata, houby a mnoho bakterií nemohou syntetizovat organické látky z anorganických. Vstřebávají pouze hotová, rozdělují je na jednodušší, ze kterých zase shromažďují složité, ale již charakteristické pro jejich tělo.

To je případ fotosyntézy a její role velmi stručně. Abychom pochopili fotosyntézu, je třeba říci více: jaké konkrétní anorganické látky se používají, jak probíhá syntéza?

Fotosyntéza vyžaduje dvě anorganické látky - oxid uhličitý (CO 2) a vodu (H 2 O). První je absorbován ze vzduchu nadzemními částmi rostlin, zejména prostřednictvím průduchů. Voda - z půdy, odkud je vodivým systémem rostliny dodávána do fotosyntetických buněk. Fotosyntéza také vyžaduje energii fotonů (hν), ale nelze ji připsat hmotě.

Celkově fotosyntéza produkuje organickou hmotu a kyslík (O 2). Organická hmota obvykle nejčastěji znamená glukózu (C 6 H 12 O 6).

Organické sloučeniny se většinou skládají z atomů uhlíku, vodíku a kyslíku. Jsou to ty, které se nacházejí v oxidu uhličitém a vodě. Během fotosyntézy se však uvolňuje kyslík. Jeho atomy jsou převzaty z vody.

Stručně a obecně se rovnice reakce fotosyntézy obvykle píše takto:

6CO 2 + 6H 2O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Ale tato rovnice neodráží podstatu fotosyntézy, nedělá ji srozumitelnou. Podívej, i když je rovnice vyvážená, má celkem 12 atomů ve volném kyslíku, ale řekli jsme, že pocházejí z vody a je jich jen 6.

Fotosyntéza ve skutečnosti probíhá ve dvou fázích. První se jmenuje světlo, druhý je temný... Taková jména jsou způsobena skutečností, že světlo je potřeba pouze pro fázi světla, temná fáze je nezávislá na její přítomnosti, ale to neznamená, že jde ve tmě. Světlá fáze se vyskytuje na membránách chloroplastových tylakoidů, temná fáze - ve stromatu chloroplastů.

Ve světelné fázi nedochází k vazbě CO 2. Existuje pouze zachycení sluneční energie komplexy chlorofylu, její skladování v ATP, využití energie k obnovení NADP na NADP * H 2. Tok energie z chlorofylu excitovaného světlem zajišťují elektrony, které se přenášejí podél elektronového transportního řetězce enzymů zabudovaných do tylakoidních membrán.

Vodík pro NADP se odebírá z vody, která se pod slunečním zářením rozkládá na atomy kyslíku, vodíkové protony a elektrony. Tento proces se nazývá fotolýza... Kyslík z vody není pro fotosyntézu nutný. Atomy kyslíku ze dvou molekul vody se spojí a vytvoří molekulární kyslík. Reakční rovnice pro světelnou fázi fotosyntézy je stručně následující:

H 2 O + (ADP + F) + NADP → ATP + NADP * H 2 + ½O 2

Kyslík se tak uvolňuje během světelné fáze fotosyntézy. Počet molekul ATP syntetizovaných z ADP a kyseliny fosforečné na fotolýzu jedné molekuly vody může být odlišný: jedna nebo dvě.

Takže ATP a NADP * H 2 pocházejí ze světelné fáze do tmavé. Zde se energie prvního a redukční síla druhého vynakládá na vázání oxidu uhličitého. Tuto fázi fotosyntézy nelze jednoduše a stručně vysvětlit, protože neprobíhá tak, že by se šest molekul CO 2 spojilo s vodíkem uvolněným z molekul NADP * H 2 za vzniku glukózy:

6CO 2 + 6NADP * H 2 → C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(reakce probíhá s výdajem energie ATP, která se rozkládá na ADP a kyselinu fosforečnou).

Výše uvedená reakce je pouze zjednodušením, které usnadní pochopení. Ve skutečnosti se molekuly oxidu uhličitého vážou po jednom a připojují se k hotové pětikarbonové organické látce. Vzniká nestabilní šestikarbonová organická hmota, která se rozkládá na molekuly sacharidů se třemi uhlíky. Některé z těchto molekul se používají k resyntéze původní pět uhlíkové látky pro vazbu CO 2. Taková resyntéza je poskytována calvinův cyklus... Menšina molekul karbohydrátů se třemi uhlíky opouští cyklus. Již z nich a dalších látek jsou syntetizovány všechny ostatní organické látky (sacharidy, tuky, bílkoviny).

To znamená, že ve skutečnosti se z temné fáze fotosyntézy uvolňují tři uhlíkové cukry, nikoli glukóza.

DEFINICE: Fotosyntéza je proces tvorby organických látek z oxidu uhličitého a vody na světle za uvolňování kyslíku.

Stručné vysvětlení fotosyntézy

Proces fotosyntézy zahrnuje:

1) chloroplasty,

3) oxid uhličitý,

5) teplota.

U vyšších rostlin dochází k fotosyntéze v chloroplastech - oválných plastidech (poloautonomních organelách) obsahujících chlorofylový pigment, kvůli zelené barvě, které mají části rostlin také zelenou barvu.

V řasách je chlorofyl obsažen v chromatoforech (buňky obsahující pigment a světlo odrážející buňky). Hnědé a červené řasy, které žijí ve značné hloubce, kde sluneční světlo nedosahuje dobře, mají další pigmenty.

Podíváte-li se na potravinovou pyramidu všeho živého, fotosyntetické organismy jsou na samém dně, jako součást autotrofů (organismy, které syntetizují organickou hmotu z anorganické). Proto jsou zdrojem potravy pro veškerý život na planetě.

Během fotosyntézy se kyslík uvolňuje do atmosféry. Ve vyšších vrstvách atmosféry se z ní vytváří ozon. Ozonový štít chrání zemský povrch před drsným ultrafialovým zářením a umožňuje životu uniknout z moře na pevninu.

Kyslík je nezbytný pro dýchání rostlin a zvířat. Když je glukóza oxidována za účasti kyslíku, mitochondrie ukládají téměř 20krát více energie než bez ní. Díky tomu je používání potravin mnohem efektivnější, což má za následek vysokou rychlost metabolismu u ptáků a savců.

Podrobnější popis procesu fotosyntézy rostlin

Postup fotosyntézy:

Proces fotosyntézy začíná vnikáním světla na chloroplasty - intracelulární poloautonomní organely obsahující zelený pigment. Pod vlivem světla začnou chloroplasty spotřebovávat vodu z půdy a rozkládat ji na vodík a kyslík.

Část kyslíku se uvolňuje do atmosféry, druhá část prochází oxidačními procesy v rostlině.

Cukr se kombinuje s dusíkem, sírou a fosforem pocházejícím z půdy, čímž zelené rostliny produkují škrob, tuky, bílkoviny, vitamíny a další komplexní sloučeniny nezbytné pro jejich život.

Fotosyntéza se nejlépe provádí pod vlivem slunečního světla, ale některé rostliny se mohou uspokojit s umělým světlem.

Složitý popis mechanismů fotosyntézy pro pokročilého čtenáře

Do 60. let 20. století vědci věděli pouze jeden mechanismus pro fixaci oxidu uhličitého - cestou fosforečnanu C3-pentóza. Nedávno se však skupině australských vědců podařilo prokázat, že u některých rostlin dochází ke snížení oxidu uhličitého cyklem C4-dikarboxylových kyselin.

U rostlin s reakcí C3 dochází k fotosyntéze nejaktivněji za podmínek mírné teploty a osvětlení, zejména v lesích a na tmavých místech. Mezi takové rostliny patří téměř všechny pěstované rostliny a většina zeleniny. Tvoří základ lidské stravy.

V rostlinách s reakcí C4 dochází k fotosyntéze nejaktivněji za vysokých teplot a světelných podmínek. Mezi takové rostliny patří například kukuřice, čirok a cukrová třtina, které rostou v teplém a tropickém podnebí.

Samotný metabolismus rostlin byl objeven poměrně nedávno, kdy bylo možné zjistit, že u některých rostlin, které mají speciální tkáně pro skladování vody, se oxid uhličitý hromadí ve formě organických kyselin a v sacharidech se fixuje až po dni. Tento mechanismus pomáhá rostlinám šetřit zásoby vody.

Jak probíhá fotosyntéza

Rostlina absorbuje světlo se zelenou látkou zvanou chlorofyl. Chlorofyl se nachází v chloroplastech, které se nacházejí ve stoncích nebo plodech. Obzvláště se hojně vyskytují v listech, protože díky své velmi ploché struktuře může list přilákat hodně světla a podle toho přijímat mnohem více energie pro proces fotosyntézy.

Po absorpci je chlorofyl ve vzrušeném stavu a přenáší energii na další molekuly těla rostliny, zejména na ty, které se přímo účastní fotosyntézy. Druhá fáze procesu fotosyntézy probíhá bez povinné účasti světla a spočívá v získání chemické vazby za účasti oxidu uhličitého získaného ze vzduchu a vody. V této fázi se syntetizují různé, pro život velmi užitečné látky, jako je škrob a glukóza.

Tyto organické látky používají samotné rostliny ke krmení různých částí ak udržení normálního života. Kromě toho tyto látky získávají také zvířata krmená rostlinami. Lidé tyto látky získávají také konzumací potravin živočišného a rostlinného původu.

Podmínky pro fotosyntézu

K fotosyntéze může docházet jak pod vlivem umělého světla, tak i slunečního světla. Zpravidla v přírodě rostliny intenzivně "pracují" v období jaro-léto, kdy je spousta potřebného slunečního světla. Na podzim je méně světla, den se zkracuje, listy nejprve zežloutnou a pak spadnou. Ale jakmile se objeví teplé jarní slunce, znovu se objeví zelené listy a zelené „továrny“ znovu pokračují v práci, aby poskytly kyslík, který je pro život tak nezbytný, stejně jako mnoho dalších živin.

Alternativní definice fotosyntézy

Fotosyntéza (ze starořeckého fota - světlo a syntéza - spojení, skládání, vázání, syntéza) - proces přeměny světelné energie na energii chemických vazeb organických látek ve světle pomocí fotoautotrofů za účasti fotosyntetických pigmentů (chlorofyl v rostlinách , bakteriochlorofyl a bakteriorhodopsin v bakteriích). V moderní fyziologii rostlin je fotosyntéza častěji chápána jako fotoautotrofní funkce - kombinace procesů absorpce, přeměny a využití energie světelných kvant v různých endergonických reakcích, včetně přeměny oxidu uhličitého na organické látky.

Fáze fotosyntézy

Fotosyntéza je poměrně složitý proces a zahrnuje dvě fáze: světlo, které se vždy vyskytuje výhradně ve světle, a tma. Všechny procesy probíhají v chloroplastech na speciálních malých orgánech - tilakodii. Během světelné fáze je kvantum světla absorbováno chlorofylem, což vede k tvorbě molekul ATP a NADPH. V tomto případě se voda rozkládá, tvoří vodíkové ionty a uvolňuje molekulu kyslíku. Vyvstává otázka, jaké jsou tyto nepochopitelné záhadné látky: ATP a NADH?

ATP je speciální organická molekula nacházející se ve všech živých organismech a často se jí říká „energetická“ měna. Právě tyto molekuly obsahují vysokoenergetické vazby a jsou zdrojem energie pro všechny organické syntézy a chemické procesy v těle. NADPH je ve skutečnosti zdrojem vodíku, používá se přímo při syntéze organických látek s vysokou molekulovou hmotností - sacharidů, ke kterým dochází ve druhé, temné fázi fotosyntézy pomocí oxidu uhličitého.

Světelná fáze fotosyntézy

Chloroplasty obsahují mnoho molekul chlorofylu a všechny absorbují sluneční světlo. Současně je světlo absorbováno jinými pigmenty, ale neví, jak provádět fotosyntézu. Samotný proces probíhá pouze u některých molekul chlorofylu, kterých je velmi málo. Další molekuly chlorofylu, karotenoidů a dalších látek tvoří speciální anténu, stejně jako komplexy sběru světla (SSC). Stejně jako antény pohlcují světelná kvanta a přenášejí buzení do speciálních reakčních center nebo pastí. Tato centra jsou umístěna ve fotosystémech, z nichž rostliny mají dva: fotosystém II a fotosystém I. Obsahují speciální molekuly chlorofylu: ve fotosystému II - P680 a ve fotosystému I - P700. Pohlcují světlo přesně této vlnové délky (680 a 700 nm).

Diagram objasňuje, jak vše vypadá a děje se během světelné fáze fotosyntézy.

Na obrázku vidíme dva fotosystémy s chlorofyly P680 a P700. Obrázek také ukazuje nosiče, kterými dochází k přenosu elektronů.

Takže: obě molekuly chlorofylu dvou fotosystémů absorbují kvantum světla a jsou vzrušené. Elektron e- (na obrázku červený) jde na vyšší energetickou hladinu.

Vzrušené elektrony mají velmi vysokou energii, odlamují se a vstupují do speciálního nosného řetězce, který se nachází v membránách thylakoidů - vnitřních strukturách chloroplastů. Obrázek ukazuje, že z fotosystému II z chlorofylu P680 přechází elektron na plastochinon a z fotosystému I z chlorofylu P700 na ferredoxin. V samotných molekulách chlorofylu se místo elektronů po jejich oddělení vytvoří modré díry s kladným nábojem. Co dělat?

Aby se nahradil nedostatek elektronu, molekula chlorofylu P680 ve fotosystému II přijímá elektrony z vody, přičemž se tvoří ionty vodíku. Kromě toho vzniká v důsledku rozkladu vody kyslík uvolněný do atmosféry. A molekula chlorofylu P700, jak je vidět na obrázku, vyrovnává nedostatek elektronů prostřednictvím systému nosičů z fotosystému II.

Obecně platí, že bez ohledu na to, jak je to obtížné, takto probíhá světelná fáze fotosyntézy, její hlavní podstata spočívá v přenosu elektronů. Na obrázku je také vidět, že paralelně s transportem elektronů se vodíkové ionty H + pohybují přes membránu a hromadí se uvnitř tylakoidu. Jelikož je jich spousta, pohybují se směrem ven pomocí speciálního spojovacího faktoru, který je na obrázku oranžový, zobrazený vpravo a vypadá jako houba.

Na závěr vidíme konečnou fázi transportu elektronů, jejímž výsledkem je tvorba výše uvedené sloučeniny NADH. A díky přenosu iontů H + je syntetizována energetická měna - ATP (vidět na obrázku vpravo).

Světelná fáze fotosyntézy je tedy dokončena, kyslík byl uvolňován do atmosféry, vznikly ATP a NADH. Co bude dál? Kde je slíbené organické? A pak přichází temná fáze, která se skládá hlavně z chemických procesů.

Temná fáze fotosyntézy

Pro temnou fázi fotosyntézy je povinnou složkou oxid uhličitý - CO2. Proto ho rostlina musí neustále absorbovat z atmosféry. Za tímto účelem existují na povrchu listu speciální struktury - průduchy. Když se otevřou, CO2 vstupuje dovnitř listu, rozpouští se ve vodě a vstupuje do reakce světelné fáze fotosyntézy.

Během světelné fáze se ve většině rostlin CO2 váže na pětikarbonovou organickou sloučeninu (což je řetězec pěti molekul uhlíku), což vede ke dvěma molekulám sloučeniny se třemi uhlíky (kyselina 3-fosfoglycerová). Protože primárním výsledkem jsou právě tyto sloučeniny se třemi uhlíky; rostliny s tímto typem fotosyntézy se nazývají rostliny C3.

Další syntéza v chloroplastech je poměrně obtížná. Ve výsledku vzniká sloučenina se šesti uhlíky, ze které lze v budoucnu syntetizovat glukózu, sacharózu nebo škrob. Ve formě těchto organických látek rostlina akumuluje energii. Zároveň jen malá část z nich zůstává v listu, který se používá pro jeho potřeby, zatímco zbytek sacharidů cestuje po celé rostlině a jde tam, kde je nejvíce potřeba energie - například do růstových bodů.

Fotosyntéza je přeměna světelné energie na energii chemických vazeb organické sloučeniny.

Fotosyntéza je charakteristická pro rostliny, včetně všech řas, řady prokaryot, včetně sinic, a některých jednobuněčných eukaryot.

Ve většině případů fotosyntéza produkuje kyslík (O 2) jako vedlejší produkt. To však neplatí vždy, protože existuje několik různých způsobů fotosyntézy. V případě uvolnění kyslíku je jeho zdrojem voda, ze které jsou pro potřeby fotosyntézy štěpeny atomy vodíku.

Fotosyntéza se skládá z mnoha reakcí zahrnujících různé pigmenty, enzymy, koenzymy atd. Hlavními pigmenty jsou chlorofyly, kromě nich také karotenoidy a fykobiliny.

V přírodě existují dva způsoby fotosyntézy rostlin: C 3 a C 4. Jiné organismy mají svou vlastní specifičnost reakcí. Vše, co spojuje tyto různé procesy pod pojmem „fotosyntéza“ - ve všech se energie fotonů přeměňuje celkem na chemickou vazbu. Pro srovnání: během chemosyntézy se energie chemické vazby některých sloučenin (anorganických) převádí na jiné - organické.

Fotosyntéza má dvě fáze - světlou a tmavou. První závisí na světelném záření (hν), které je nezbytné pro reakci. Temná fáze je nezávislá na světle.

V rostlinách probíhá fotosyntéza v chloroplastech. Výsledkem všech reakcí jsou primární organické látky, ze kterých se potom syntetizují sacharidy, aminokyseliny, mastné kyseliny atd. Celková reakce fotosyntézy se obvykle zapisuje ve vztahu k glukóza - nejběžnější produkt fotosyntézy:

6CO 2 + 6H 2O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Atomy kyslíku, které tvoří molekulu O 2, se neberou z oxidu uhličitého, ale z vody. Oxid uhličitý - zdroj uhlíkuco je důležitější. Díky své vazbě mají rostliny příležitost syntetizovat organickou hmotu.

Výše uvedená chemická reakce je zobecněna a shrnuta. Není to daleko od podstaty procesu. Glukóza tedy nevzniká ze šesti samostatných molekul oxidu uhličitého. Vazba CO 2 nastává po jedné molekule, která se nejprve váže na již existující cukr s pěti uhlíky.

Prokaryoty se vyznačují vlastními zvláštnostmi fotosyntézy. V bakteriích je tedy hlavním pigmentem bakteriochlorofyl a kyslík se neuvolňuje, protože vodík se nepřijímá z vody, ale často ze sirovodíku nebo jiných látek. U modrozelených řas je chlorofyl hlavním pigmentem a během fotosyntézy se uvolňuje kyslík.

Světelná fáze fotosyntézy

Ve světelné fázi fotosyntézy jsou ATP a NADPH 2 syntetizovány díky sálavé energii. Stalo se to na tylakoidech chloroplastů, kde pigmenty a enzymy tvoří složité komplexy pro fungování elektrochemických obvodů, kterými se přenášejí elektrony a částečně protony vodíku.

Elektrony nakonec končí na koenzymu NADP, který je záporně nabitý a přitahuje k sobě část protonů a mění se na NADP · H 2. Také akumulace protonů na jedné straně tylakoidní membrány a elektronů na druhé straně vytváří elektrochemický gradient, jehož potenciál využívá enzym ATP syntetáza k syntéze ATP z ADP a kyseliny fosforečné.

Hlavními pigmenty fotosyntézy jsou různé chlorofyly. Jejich molekuly zachycují vyzařování určitých, částečně odlišných, spekter světla. V tomto případě jsou některé elektrony molekul chlorofylu přeneseny na vyšší energetickou hladinu. Jedná se o nestabilní stav a teoreticky by elektrony se stejným zářením měly dávat do vesmíru energii přijatou zvenčí a vrátit se na předchozí úroveň. Ve fotosyntetických buňkách jsou však excitované elektrony zachycovány akceptory a s postupným snižováním jejich energie jsou přenášeny podél nosného řetězce.

Na tylakoidních membránách existují dva typy fotosystémů, které při vystavení světlu emitují elektrony. Fotosystémy jsou složitý komplex převážně chlorofylových pigmentů s reakčním centrem, od kterého jsou odděleny elektrony. Ve fotosystému sluneční světlo zachycuje mnoho molekul, ale veškerá energie se shromažďuje v reakčním centru.

Elektrony fotosystému I, procházející nosným řetězcem, snižují NADP.

Energie elektronů oddělených od fotosystému II se používá k syntéze ATP. A elektrony fotosystému II samy vyplňují elektronové díry fotosystému I.

Otvory druhého fotosystému jsou vyplněny elektrony vyplývajícími z fotolýza vody... K fotolýze dochází také za účasti světla a spočívá v rozkladu H20 na protony, elektrony a kyslík. Volným kyslíkem se tvoří fotolýza vody. Protony se podílejí na vytváření elektrochemického gradientu a snižování NADP. Chlorofyl fotosystému II přijímá elektrony.

Přibližná celková rovnice světelné fáze fotosyntézy:

H 2 O + NADP + 2 ADP + 2P → ½O 2 + NADPH 2 + 2ATP

Cyklický transport elektronů

Výše popsané tzv necyklická světelná fáze fotosyntézy... Je tam víc? cyklický přenos elektronů, když nedojde ke snížení NADP... V tomto případě elektrony z fotosystému jdu do nosného řetězce, kde je syntetizován ATP. To znamená, že tento elektronový transportní řetězec přijímá elektrony z fotosystému I, nikoli z II. První fotosystém jako takový realizuje cyklus: emitované elektrony se do něj vracejí. Na cestě tráví část své energie syntézou ATP.

Fotofosforylace a oxidativní fosforylace

Světelnou fázi fotosyntézy lze přirovnat ke stádiu buněčného dýchání - oxidační fosforylaci, ke které dochází na mitochondriálních cristae. I tam dochází k syntéze ATP v důsledku přenosu elektronů a protonů podél nosného řetězce. V případě fotosyntézy se však energie v ATP neukládá pro potřeby buňky, ale hlavně pro potřebu temné fáze fotosyntézy. A pokud během dýchání slouží organické látky jako primární zdroj energie, pak během fotosyntézy je to sluneční světlo. Syntéza ATP během fotosyntézy se nazývá fotofosforylacespíše než oxidační fosforylace.

Temná fáze fotosyntézy

Poprvé temnou fázi fotosyntézy podrobně studovali Calvin, Benson, Bassem. Cyklus reakcí, které objevili, se později nazýval Calvinův cyklus nebo fotosyntéza C 3. Některé skupiny rostlin mají upravenou fotosyntetickou dráhu C4, nazývanou také Hatch-Slackův cyklus.

V temných reakcích fotosyntézy je CO 2 fixován. Temná fáze se vyskytuje ve stromatu chloroplastů.

K redukci CO 2 dochází v důsledku energie ATP a redukční síly NADP · H 2, vznikající při světelných reakcích. Bez nich nedojde k fixaci uhlíku. I když tedy temná fáze přímo nezávisí na světle, obvykle se vyskytuje také ve světle.

Calvinův cyklus

První reakcí tmavé fáze je přidání CO 2 ( karboxylacee) na 1,5-ribulezobifosfát ( ribulóza-1,5-difosfát) – RiBF... Posledně jmenovaná je dvojnásobně fosforylovaná ribóza. Tuto reakci katalyzuje enzym ribulóza-1,5-difosfátkarboxyláza, nazývaný také rubisco.

V důsledku karboxylace vzniká nestabilní sloučenina se šesti uhlíky, která se v důsledku hydrolýzy rozkládá na dvě molekuly se třemi uhlíky kyselina fosfoglycerová (FHA) - první produkt fotosyntézy. FHA se také nazývá fosfoglycerát.

RuBP + C02 + H20 → 2FGK

FHA obsahuje tři atomy uhlíku, z nichž jeden je součástí kyselé karboxylové skupiny (-COOH):

Z FHA vzniká tříuhlíkový cukr (glyceraldehyd fosfát) triose fosfát (TF), včetně již aldehydové skupiny (-CHO):

FHA (3-kyselina) → TF (3-cukr)

Tato reakce spotřebovává energii ATP a redukční sílu NADP · H 2. TF je první sacharid ve fotosyntéze.

Poté se většina triozového fosfátu použije na regeneraci bifosfátu ribulózy (RuBP), který se opět používá k vázání C02. Regenerace zahrnuje řadu reakcí náročných na ATP zahrnujících fosforečnany cukru se 3 až 7 atomy uhlíku.

Tento cyklus RuBF je podstatou Calvinova cyklu.

Menší část TF vytvořená v něm opouští Calvinův cyklus. Pokud jde o 6 vázaných molekul oxidu uhličitého, výtěžek je 2 molekuly fosfátu triosy. Celková reakce cyklu se vstupními a výstupními produkty:

6CO 2 + 6H 2O → 2ТФ

V tomto případě se na vazbě podílí 6 molekul RuBP a tvoří se 12 molekul FHA, které se převádějí na 12 TF, z nichž 10 molekul zůstává v cyklu a přeměňuje se na 6 molekul RuBP. Protože TF je cukr se třemi uhlíky a RuBP je uhlík s pěti uhlíky, pak ve vztahu k atomům uhlíku máme: 10 * 3 \u003d 6 * 5. Počet atomů uhlíku poskytujících cyklus se nemění, všechny potřebné RuBP se regeneruje. A šest molekul oxidu uhličitého obsažených v cyklu se vynakládá na tvorbu dvou molekul fosfátu triosy opouštějících cyklus.

Pro Calvinův cyklus se na 6 navázaných molekul CO 2 spotřebuje 18 molekul ATP a 12 molekul NADPH 2, které byly syntetizovány v reakcích světelné fáze fotosyntézy.

Výpočet se provádí pro dvě molekuly triozového fosfátu opouštějící cyklus, protože následně vytvořená molekula glukózy obsahuje 6 atomů uhlíku.

Triose fosfát (TP) je konečným produktem Calvinova cyklu, ale lze ho jen stěží označit za konečný produkt fotosyntézy, protože se těžko hromadí, ale při reakci s jinými látkami se promění v glukózu, sacharózu, škrob, tuky, mastné kyseliny , aminokyseliny. Kromě TF hraje důležitou roli FGK. Tyto reakce se však neomezují pouze na fotosyntetické organismy. V tomto smyslu je temná fáze fotosyntézy stejná jako u Calvinova cyklu.

Šestikarbonový cukr se tvoří z FHA postupnou enzymatickou katalýzou fruktóza-6-fosfátkterý se promění v glukóza... V rostlinách může glukóza polymerovat na škrob a celulózu. Syntéza sacharidů je podobná reverznímu procesu glykolýzy.

Fotorespirace

Kyslík inhibuje fotosyntézu. Čím více O 2 v prostředí, tím méně efektivní je proces fixace CO 2. Faktem je, že enzym ribulóza-bifosfátkarboxyláza (rubisco) může reagovat nejen s oxidem uhličitým, ale také s kyslíkem. V tomto případě jsou temné reakce poněkud odlišné.

Fosfoglykolát je kyselina fosfoglykolová. Fosfátová skupina se z ní okamžitě odštěpí a přemění se na kyselinu glykolovou (glykolát). K jeho „využití“ je opět zapotřebí kyslík. Proto čím více kyslíku v atmosféře, tím více bude stimulovat fotorespiraci a tím více bude rostlina potřebovat kyslík, aby se zbavila reakčních produktů.

Fotorespirace je spotřeba kyslíku a produkce oxidu uhličitého, která závisí na světle. To znamená, že k výměně plynů dochází jako při dýchání, ale dochází k ní v chloroplastech a závisí na světelném záření. Fotorespirace závisí pouze na světle, protože bifosfát ribulózy se tvoří pouze během fotosyntézy.

Během fotorespirace se atomy uhlíku vracejí z glykolátu do Calvinova cyklu ve formě kyseliny fosfoglycerové (fosfoglycerát).

2 Glykolát (C 2) → 2 Glyoxylát (C 2) → 2 Glycin (C 2) - CO 2 → Serin (C 3) → Hydroxypyruvát (C 3) → Glycerát (C 3) → FHA (C 3)

Jak vidíte, návratnost není úplná, protože jeden atom uhlíku se ztratí, když se dvě molekuly glycinu přemění na jednu molekulu aminokyseliny serinu, zatímco se uvolní oxid uhličitý.

Kyslík je vyžadován v krocích přeměny glykolátu na glyoxylát a glycinu na serin.

V peroxizomech dochází k přeměnám glykolátu na glyoxylát a poté na glycin a serin je syntetizován v mitochondriích. Serin znovu vstupuje do peroxisomů, kde nejprve produkuje hydroxypyruvát a poté glycerát. Glycerát již vstupuje do chloroplastů, kde se z něj syntetizuje FHA.

Fotorespirace je typická hlavně pro rostliny s fotosyntézou typu C 3. Lze jej považovat za škodlivý, protože se ztrácí energie přeměnou glykolátu na FHA. Zřejmě fotorespirace vznikla kvůli tomu, že staré rostliny nebyly připraveny na velké množství kyslíku v atmosféře. Zpočátku jejich vývoj probíhal v atmosféře bohaté na oxid uhličitý a byl to on, kdo zachytil hlavně reakční centrum enzymu Rubisco.

C 4 fotosyntéza nebo Hatch-Slackův cyklus

Pokud je na C3-fotosyntéze prvním produktem tmavé fáze kyselina fosfoglycerová, která obsahuje tři atomy uhlíku, pak na cestě C4 jsou první produkty kyseliny obsahující čtyři atomy uhlíku: jablečnou, oxaloctovou, aspartovou.

C 4-fotosyntéza je pozorována u mnoha tropických rostlin, například u cukrové třtiny, kukuřice.

Díky tomu, že 4 rostliny účinněji absorbují oxid uhelnatý, nemají téměř žádnou vyjádřenou fotorespiraci.

Rostliny, ve kterých temná fáze fotosyntézy probíhá podél dráhy C 4, mají speciální listovou strukturu. V něm jsou vodivé svazky obklopeny dvojitou vrstvou buněk. Vnitřní vrstva je krytí vodivého paprsku. Vnější vrstva jsou mezofylové buňky. Buněčné vrstvy chloroplastů se navzájem liší.

Mezofilní chloroplasty se vyznačují velkými granulemi, vysokou aktivitou fotosystémů a nepřítomností enzymu RuBP-karboxylázy (rubisco) a škrobu. To znamená, že chloroplasty těchto buněk jsou přizpůsobeny hlavně pro světelnou fázi fotosyntézy.

V chloroplastech buněk vodivého svazku jsou grany téměř nevyvinuté, ale koncentrace RiBP karboxylázy je vysoká. Tyto chloroplasty jsou přizpůsobeny pro temnou fázi fotosyntézy.

Oxid uhličitý nejprve vstupuje do mezofylových buněk, váže se na organické kyseliny, v této formě se transportuje do buněk pochvy, uvolňuje se a poté se váže stejným způsobem jako v rostlinách C 3. To znamená, že cesta C4 spíše doplňuje, než nahrazuje C3.

V mezofylu je C02 vázán na fosfoenolpyruvát (PEP) za vzniku oxaloacetátu (kyseliny), který obsahuje čtyři atomy uhlíku:

Reakce probíhá za účasti enzymu PEP-karboxylázy, který má vyšší afinitu k C02 než rubisco. Kromě toho PEP-karboxyláza neinteraguje s kyslíkem, což znamená, že se neutrácí na fotorespiraci. Výhoda fotosyntézy C4 tedy spočívá v efektivnější fixaci oxidu uhličitého, zvýšení jeho koncentrace v buňkách pláště a v důsledku toho v efektivnějším provozu RiBP karboxylázy, která se téměř nespotřebovává pro fotorespiraci.

Oxaloacetát se převádí na 4-uhlíkovou dikarboxylovou kyselinu (malát nebo aspartát), která se transportuje do chloroplastů plášťových buněk vodivých svazků. Zde je kyselina dekarboxylována (odstranění C02), oxidována (odstranění vodíku) a převedena na pyruvát. Vodík snižuje NADP. Pyruvát se vrací do mezofylu, kde se z něj regeneruje PEP se spotřebou ATP.

Odpojený CO 2 v chloroplastech plášťových buněk jde do obvyklé dráhy C 3 temné fáze fotosyntézy, to znamená do Calvinova cyklu.

Fotosyntéza podél cesty Hatch-Slack vyžaduje více energie.

Předpokládá se, že dráha C4 vznikla v evoluci později než C3 a je do značné míry adaptací proti fotorespiraci.

- syntéza organických látek z oxidu uhličitého a vody s povinným využitím světelné energie:

6CO 2 + 6H 2 O + Q světlo → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

U vyšších rostlin je orgánem fotosyntézy list, organelami fotosyntézy jsou chloroplasty (struktura chloroplastů - přednáška č. 7). Fotosyntetické pigmenty jsou zabudovány do chloroplastových tylakoidních membrán: chlorofyly a karotenoidy. Existuje několik různých typů chlorofylu ( abeceda), hlavním je chlorofyl a... V molekule chlorofylu lze rozlišit porfyrinovou „hlavu“ s atomem hořčíku uprostřed a fytolovou „ocasní plochu“. Porfyrinová „hlava“ je plochá struktura, je hydrofilní, a proto leží na povrchu membrány, která je obrácena k vodnému médiu stromatu. Fytolový „ocas“ je hydrofobní a díky tomu udržuje molekulu chlorofylu v membráně.

Chlorofyly absorbují červené a modrofialové světlo, odrážejí zelenou barvu, a proto dodávají rostlinám jejich charakteristickou zelenou barvu. Jsou uspořádány molekuly chlorofylu v tylakoidních membránách foto systémy... Rostliny a modrozelené řasy mají fotosystém-1 a fotosystém-2, fotosyntetizující bakterie mají fotosystém-1. Pouze fotosystém-2 může rozkládat vodu uvolňováním kyslíku a odebírat elektrony z vodíku ve vodě.

Fotosyntéza je složitý vícestupňový proces; fotosyntetické reakce se dělí do dvou skupin: reakce světelná fáze a reakce temná fáze.

Světelná fáze

K této fázi dochází pouze za přítomnosti světla v membránách thylakoidů za účasti chlorofylu, proteinů transportujících elektrony a enzymu - ATP syntetázy. Působením kvanta světla jsou elektrony chlorofylu excitovány, opouštějí molekulu a vstupují na vnější stranu tylakoidní membrány, která se nakonec stává negativně nabitou. Oxidované molekuly chlorofylu jsou redukovány přijímáním elektronů z vody v intratilakoidním prostoru. To vede k rozpadu nebo fotolýze vody:

Světlo H20 + Q → H + + OH -.

Hydroxylové ionty darují své elektrony a mění se na reaktivní radikály.

OH - → .OH + e -.

Radikály OH se spojí a vytvoří vodu a volný kyslík:

4NO. → 2H20 + O2.

V tomto případě je kyslík odstraněn do vnějšího prostředí a protony se hromadí uvnitř tylakoidu v „rezervoáru protonů“. Výsledkem je, že tylakoidní membrána je na jedné straně kladně nabitá kvůli H +, na druhé straně kvůli elektronům je negativně nabitá. Když potenciální rozdíl mezi vnější a vnitřní stranou tylakoidní membrány dosáhne 200 mV, protony jsou protlačeny kanály ATP syntetázy a dojde k fosforylaci ADP na ATP; atomový vodík se používá ke snížení specifického nosiče NADP + (nikotinamidadeninindinukleotid fosfát) na NADPH 2:

2Н + + 2е - + NADP → NADPH 2.

K fotolýze vody tedy dochází během světelné fáze, která je doprovázena třemi nejdůležitějšími procesy: 1) syntéza ATP; 2) tvorba NADP · H 2; 3) tvorba kyslíku. Kyslík difunduje do atmosféry, ATP a NADPH 2 jsou transportovány do chloroplastového stromatu a účastní se procesů temné fáze.

1 - chloroplastové stroma; 2 - grana thylakoid.

Temná fáze

Tato fáze probíhá ve stromatu chloroplastů. Pro její reakce není potřeba energie světla, takže se vyskytují nejen ve světle, ale také ve tmě. Reakce temné fáze jsou řetězcem postupných transformací oxidu uhličitého (vycházejícího ze vzduchu), které vedou k tvorbě glukózy a dalších organických látek.

První reakcí v tomto řetězci je fixace oxidu uhličitého; zachycovač oxidu uhličitého je cukr s pěti uhlíky ribulosa bifosfát (RiBF); enzym katalyzuje reakci ribulosa bifosfát karboxyláza (RuBP karboxyláza). V důsledku karboxylace bisfosfátu ribulózy vzniká nestabilní šest uhlíkatá sloučenina, která se okamžitě rozkládá na dvě molekuly kyselina fosfoglycerová (FGK). Poté probíhá cyklus reakcí, při kterém se pomocí řady meziproduktů přemění kyselina fosfoglycerová na glukózu. Tyto reakce využívají energie ATP a NADP · H2 vytvořené ve světelné fázi; cyklus těchto reakcí se nazývá „Calvinův cyklus“:

6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.

Kromě glukózy se v procesu fotosyntézy tvoří další monomery komplexních organických sloučenin - aminokyseliny, glycerol a mastné kyseliny, nukleotidy. V současné době se rozlišují dva typy fotosyntézy: fotosyntéza C 3 a C 4.

C 3 fotosyntéza

Jedná se o typ fotosyntézy, při které jsou prvním produktem sloučeniny se třemi uhlíky (C3). Fotosyntéza C 3 byla objevena dříve než fotosyntéza C 4 (M. Calvin). Je to fotosyntéza C 3, která je popsána výše pod nadpisem „Temná fáze“. Charakteristické rysy fotosyntézy C 3: 1) akceptorem oxidu uhličitého je RuBP, 2) karboxylace RuBP je katalyzována RuBP karboxylázou, 3) v důsledku karboxylace RuBP se vytvoří sloučenina se šesti uhlíky, která se rozloží na dvě FHA. FGK je obnoven do trióza fosfáty (TF). Část TF jde na regeneraci RiBP, část se přemění na glukózu.

1 - chloroplast; 2 - peroxisom; 3 - mitochondrie.

Jedná se o absorpci kyslíku závislou na světle a emisi oxidu uhličitého. Na začátku minulého století bylo zjištěno, že kyslík potlačuje fotosyntézu. Jak se ukázalo, pro RiBP karboxylázu může být substrátem nejen oxid uhličitý, ale také kyslík:

О 2 + RuBP → fosfoglykolát (2C) + FHA (3C).

Enzym se nazývá RiBP oxygenáza. Kyslík je kompetitivní inhibitor fixace oxidu uhličitého. Fosfátová skupina se odštěpí a fosfoglykolát se stane glykolátem, který má rostlina využít. Vstupuje do peroxisomů, kde se oxiduje na glycin. Glycin vstupuje do mitochondrií, kde se oxiduje na serin, zatímco již fixovaný uhlík se ztrácí ve formě CO 2. Ve výsledku jsou dvě molekuly glykolátu (2C + 2C) převedeny na jeden FHA (3C) a CO2. Fotorespirace vede ke snížení výnosu rostlin C 3 o 30-40% ( C 3 - rostliny - rostliny, pro které je charakteristická fotosyntéza C 3).

С 4 -fotosyntéza - fotosyntéza, při které jsou prvním produktem sloučeniny se čtyřmi uhlíky (С4). V roce 1965 bylo zjištěno, že v některých rostlinách (cukrová třtina, kukuřice, čirok, proso) jsou prvními produkty fotosyntézy čtyři uhlíkové kyseliny. Takové rostliny byly pojmenovány Se 4 rostlinami... V roce 1966 australští vědci Hatch a Slack prokázali, že rostliny C4 nemají prakticky žádnou fotorespiraci a jsou mnohem účinnější při absorpci oxidu uhličitého. Cesta transformací uhlíku v C4 rostlinách se začala nazývat podle Hatch-Slack.

Pro rostliny C 4 je charakteristická speciální anatomická struktura listu. Všechny vodivé svazky jsou obklopeny dvojitou vrstvou buněk: vnější jsou mezofylové buňky, vnitřní jsou plášťové buňky. Oxid uhličitý je fixován v cytoplazmě mezofylových buněk, akceptor je fosfoenolpyruvát (PEP, 3C), jako výsledek karboxylace PEP, vzniká oxaloacetát (4C). Proces je katalyzován PEP-karboxyláza... Na rozdíl od RuBP karboxylázy má PEP karboxyláza vysokou afinitu k CO 2 a co je nejdůležitější, neinteraguje s O 2. V chloroplastech mezofylu je mnoho zrn, kde jsou aktivní reakce světelné fáze. V chloroplastech plášťových buněk probíhají reakce temné fáze.

Oxaloacetát (4C) se převádí na malát, který je transportován přes plasmodesmata do buněk pochvy. Zde je dekarboxylován a dehydratován za vzniku pyruvátu, C02 a NADPH2.

Pyruvát se vrací do mezofylových buněk a regeneruje se na úkor energie ATP v PEP. CO 2 je opět fixován RiBP karboxylázou za tvorby FHA. Regenerace PEP vyžaduje energii ATP, proto je potřeba téměř dvakrát tolik energie než u fotosyntézy C 3.

Význam fotosyntézy

Díky fotosyntéze se ročně z atmosféry absorbují miliardy tun oxidu uhličitého, uvolní se miliardy tun kyslíku; fotosyntéza je hlavním zdrojem tvorby organické hmoty. Kyslík tvoří ozonovou vrstvu, která chrání živé organismy před krátkovlnným ultrafialovým zářením.

Během fotosyntézy používá zelený list pouze asi 1% sluneční energie dopadající na něj, produktivita je asi 1 g organické hmoty na 1 m2 povrchu za hodinu.

Chemosyntéza

Syntéza organických sloučenin z oxidu uhličitého a vody, prováděná nikoli díky energii světla, ale díky energii oxidace anorganických látek, se nazývá chemosyntéza... Chemosyntetické organismy zahrnují některé druhy bakterií.

Nitrifikační bakterie amoniak se oxiduje na kyselinu dusitou a poté na kyselinu dusičnou (NH3 → HNO2 → HNO3).

Železné bakterie přeměna železného železa na oxid (Fe 2+ → Fe 3+).

Sírové bakterie oxiduje sirovodík na síru nebo kyselinu sírovou (H 2 S + ½ 02 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2 O 2 → H 2 SO 4).

V důsledku oxidačních reakcí anorganických látek se uvolňuje energie, která je ukládána bakteriemi ve formě vysokoenergetických vazeb ATP. ATP se používá k syntéze organických látek, která probíhá podobným způsobem jako reakce temné fáze fotosyntézy.

Chemosyntetické bakterie přispívají k hromadění minerálů v půdě, zlepšují úrodnost půdy, podporují čištění odpadních vod atd.

    Jít do přednášky číslo 11 "Koncept metabolismu." Biosyntéza proteinů "

    Jít do přednášky č. 13 „Metody dělení eukaryotických buněk: mitóza, meióza, amitóza“