>

Bagaimana dan di mana proses fotosintesis berlangsung pada tumbuhan? Karbon dioksida dari fotosintesis.

Setiap makhluk hidup di planet ini membutuhkan makanan atau energi untuk bertahan hidup. Beberapa organisme memakan makhluk lain, sementara yang lain dapat menghasilkan nutrisi sendiri. mereka sendiri menghasilkan makanan, glukosa, dalam proses yang disebut fotosintesis.

Fotosintesis dan respirasi saling berhubungan. Hasil fotosintesis adalah glukosa, yang disimpan sebagai energi kimia di. Energi kimia yang disimpan ini berasal dari konversi karbon anorganik (karbon dioksida) menjadi karbon organik. Proses pernapasan melepaskan energi kimia yang tersimpan.

Selain makanan yang mereka hasilkan, tumbuhan juga membutuhkan karbon, hidrogen, dan oksigen untuk bertahan hidup. Air yang diserap dari tanah menghasilkan hidrogen dan oksigen. Selama fotosintesis, karbon dan air digunakan untuk mensintesis makanan. Tumbuhan juga membutuhkan nitrat untuk membuat asam amino (asam amino merupakan bahan dalam produksi protein). Selain itu, mereka membutuhkan magnesium untuk menghasilkan klorofil.

Catatan: Makhluk hidup yang bergantung pada makanan lain disebut. Herbivora seperti sapi dan tumbuhan pemakan serangga adalah contoh heterotrof. Makhluk hidup yang menghasilkan makanannya sendiri disebut. Tumbuhan hijau dan alga adalah contoh autotrof.

Pada artikel ini, Anda akan mempelajari lebih lanjut tentang bagaimana fotosintesis terjadi pada tumbuhan dan kondisi yang diperlukan untuk proses ini.

Penentuan fotosintesis

Fotosintesis adalah proses kimia di mana tumbuhan, sebagian, dan alga menghasilkan glukosa dan oksigen dari karbon dioksida dan air, hanya menggunakan cahaya sebagai sumber energi.

Proses ini sangat penting bagi kehidupan di Bumi, karena berkat itu oksigen dilepaskan, tempat semua kehidupan bergantung.

Mengapa tanaman membutuhkan glukosa (makanan)?

Seperti halnya manusia dan makhluk hidup lainnya, tumbuhan juga membutuhkan makanan agar tetap hidup. Nilai glukosa untuk tumbuhan adalah sebagai berikut:

  • Glukosa dari fotosintesis digunakan selama respirasi untuk melepaskan energi yang dibutuhkan tanaman untuk proses vital lainnya.
  • Sel tumbuhan juga mengubah sebagian glukosa menjadi pati, yang digunakan sesuai kebutuhan. Untuk alasan ini, tumbuhan mati digunakan sebagai biomassa karena menyimpan energi kimia.
  • Glukosa juga dibutuhkan untuk menghasilkan bahan kimia lain seperti protein, lemak, dan gula nabati, yang dibutuhkan untuk pertumbuhan dan proses penting lainnya.

Fase fotosintesis

Proses fotosintesis dibagi menjadi dua fase: terang dan gelap.


Fase cahaya fotosintesis

Seperti namanya, fase cahaya membutuhkan sinar matahari. Dalam reaksi yang bergantung pada cahaya, energi sinar matahari diserap oleh klorofil dan diubah menjadi energi kimia yang tersimpan dalam bentuk molekul pembawa elektron NADPH (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) dan sebuah molekul energi ATP (adenosine triphosphate). Fase cahaya terjadi pada membran tilakoid di dalam kloroplas.

Fase gelap fotosintesis atau siklus Calvin

Pada fase gelap, atau siklus Calvin, elektron tereksitasi dari fase terang memberikan energi untuk pembentukan karbohidrat dari molekul karbon dioksida. Fase tidak bergantung cahaya kadang-kadang disebut siklus Calvin karena sifat siklus prosesnya.

Meskipun fase gelap tidak menggunakan cahaya sebagai reagen (dan akibatnya, dapat terjadi siang atau malam), fase-fase tersebut membutuhkan produk reaksi yang bergantung pada cahaya agar berfungsi. Molekul yang tidak bergantung cahaya bergantung pada molekul pembawa energi - ATP dan NADPH - untuk membuat molekul karbohidrat baru. Setelah transfer energi, pembawa energi kembali ke fase cahaya untuk mendapatkan elektron yang lebih energik. Selain itu, beberapa enzim fase gelap diaktifkan oleh cahaya.

Diagram fase fotosintesis

Catatan:Artinya fase gelap tidak akan berlanjut jika tanaman terlalu lama kehilangan cahaya, karena tanaman menggunakan produk fase terang.

Struktur daun tanaman

Kita tidak dapat mempelajari fotosintesis sepenuhnya tanpa mengetahui lebih banyak tentang struktur daun. Daun diadaptasi untuk memainkan peran penting dalam proses fotosintesis.

Struktur luar daun

  • Kotak

Salah satu ciri terpenting tumbuhan adalah luas permukaan daunnya yang besar. Sebagian besar tumbuhan hijau memiliki daun lebar, datar, dan terbuka yang dapat menangkap energi matahari (sinar matahari) sebanyak yang diperlukan untuk fotosintesis.

  • Vena sentral dan tangkai daun

Vena sentral dan tangkai daun disatukan dan membentuk pangkal daun. Petiole memposisikan daun sehingga menerima cahaya sebanyak mungkin.

  • Bilah daun

Daun sederhana memiliki satu pelat daun, sedangkan daun kompleks memiliki beberapa. Bilah daun merupakan salah satu komponen terpenting dari daun, yang terlibat langsung dalam proses fotosintesis.

  • Pembuluh darah

Jaringan pembuluh darah di daun membawa air dari batang ke daun. Glukosa yang dilepaskan juga diarahkan ke bagian lain tanaman dari daun melalui pembuluh darah. Selain itu, bagian lembaran ini mendukung dan menjaga pelat lembaran tetap rata untuk menangkap sinar matahari yang lebih baik. Lokasi vena (venasi) tergantung pada jenis tanamannya.

  • Dasar lembaran

Pangkal daun adalah bagian paling bawah yang diartikulasikan dengan batang. Seringkali, sepasang bintik terletak di pangkal daun.

  • Tepi daun

Tergantung pada jenis tanamannya, ujung daun dapat memiliki bentuk yang berbeda, antara lain: bermata utuh, bergerigi, bergerigi, berlekuk, crenate, dll.

  • Bagian atas daun

Seperti halnya ujung daun, ujungnya memiliki berbagai bentuk, antara lain: tajam, bulat, tumpul, memanjang, ditarik, dll.

Struktur internal daun

Di bawah ini adalah diagram serupa dari struktur internal jaringan daun:

  • Kutikula

Kutikula bertindak sebagai lapisan pelindung utama pada permukaan tanaman. Biasanya lebih tebal di bagian atas lembaran. Kutikula ditutupi dengan zat seperti lilin yang melindungi tanaman dari air.

  • Kulit ari

Epidermis adalah lapisan sel yang merupakan jaringan integumen daun. Fungsi utamanya adalah melindungi jaringan bagian dalam daun dari dehidrasi, kerusakan mekanis, dan infeksi. Ini juga mengatur proses pertukaran dan transpirasi gas.

  • Mesofil

Mesofil adalah jaringan tumbuhan utama. Di sinilah proses fotosintesis berlangsung. Pada kebanyakan tumbuhan, mesofil terbagi menjadi dua lapisan: lapisan atas adalah palisade dan lapisan bawah seperti spons.

  • Sel pelindung

Sel pertahanan adalah sel khusus di epidermis daun yang digunakan untuk mengontrol pertukaran gas. Mereka memiliki fungsi pelindung untuk stomata. Pori-pori stomata menjadi besar ketika air tersedia dengan bebas, jika tidak, sel pertahanan menjadi lamban.

  • Stoma

Fotosintesis bergantung pada penetrasi karbondioksida (CO2) dari udara melalui stomata ke dalam jaringan mesofil. Oksigen (O2), diproduksi sebagai produk sampingan fotosintesis, keluar dari tumbuhan melalui stomata. Ketika stomata terbuka, air hilang karena penguapan dan harus diisi kembali melalui aliran transpirasi dengan air yang diserap oleh akar. Tanaman dipaksa untuk menyeimbangkan jumlah CO2 yang diserap dari udara dan hilangnya air melalui pori-pori stomata.

Kondisi untuk fotosintesis

Di bawah ini adalah syarat yang dibutuhkan tanaman untuk melakukan proses fotosintesis:

  • Karbon dioksida. Gas alam yang tidak berwarna dan tidak berbau yang ditemukan di udara dan memiliki sebutan ilmiah CO2. Ini terbentuk ketika karbon dan senyawa organik dibakar, dan juga terjadi selama respirasi.
  • air... Bahan kimia cair yang bening, tidak berbau dan tidak berasa (dalam kondisi normal).
  • Bersinar.Sementara cahaya buatan juga cocok untuk tumbuhan, namun sinar matahari alami cenderung menciptakan kondisi terbaik untuk fotosintesis karena mengandung radiasi UV alami yang berdampak positif pada tumbuhan.
  • Klorofil.Ini adalah pigmen hijau yang ditemukan di daun tanaman.
  • Nutrisi dan Mineral.Bahan kimia dan senyawa organik yang diserap akar tanaman dari tanah.

Apa yang terbentuk sebagai hasil fotosintesis?

  • Glukosa;
  • Oksigen.

(Energi cahaya ditunjukkan dalam tanda kurung karena itu bukan materi)

Catatan: Tanaman mendapatkan CO2 dari udara melalui daunnya, dan air dari tanah melalui akarnya. Energi cahaya berasal dari matahari. Oksigen yang dihasilkan dilepaskan ke udara dari daun. Glukosa yang dihasilkan dapat diubah menjadi zat lain, seperti pati, yang digunakan untuk penyimpanan energi.

Jika faktor yang mendorong fotosintesis tidak ada atau ada dalam jumlah yang tidak mencukupi, hal ini dapat berdampak negatif pada tanaman. Misalnya, kurang cahaya menciptakan kondisi yang menguntungkan bagi serangga yang memakan daun tanaman, dan kekurangan air melambat.

Dimana fotosintesis berlangsung?

Fotosintesis terjadi di dalam sel tumbuhan dalam plastida kecil yang disebut kloroplas. Kloroplas (terutama ditemukan di lapisan mesofil) mengandung zat hijau yang disebut klorofil. Di bawah ini adalah bagian lain dari sel yang bekerja dengan kloroplas untuk melakukan fotosintesis.

Struktur sel tumbuhan

Fungsi bagian sel tumbuhan

  • : memberikan dukungan struktural dan mekanis, melindungi sel dari, memperbaiki dan menentukan bentuk sel, mengontrol laju dan arah pertumbuhan, dan memberi bentuk pada tanaman.
  • : menyediakan platform untuk sebagian besar proses kimia yang dikendalikan enzim.
  • : bertindak sebagai penghalang, mengendalikan pergerakan zat masuk dan keluar sel.
  • : seperti dijelaskan di atas, mereka mengandung klorofil, zat hijau yang menyerap energi cahaya selama fotosintesis.
  • : rongga di dalam sitoplasma seluler yang menyimpan air.
  • : mengandung tanda genetik (DNA) yang mengontrol aktivitas sel.

Klorofil menyerap energi cahaya yang dibutuhkan untuk fotosintesis. Penting untuk diperhatikan bahwa tidak semua panjang gelombang warna cahaya diserap. Tanaman terutama menyerap gelombang merah dan biru - mereka tidak menyerap cahaya dalam kisaran hijau.

Karbon dioksida dari fotosintesis

Tumbuhan mendapatkan karbon dioksida dari udara melalui daunnya. Karbon dioksida merembes melalui lubang kecil di bagian bawah daun yang disebut stomata.

Bagian bawah daun memiliki jarak sel yang longgar sehingga karbondioksida mencapai sel lain di dalam daun. Ini juga memungkinkan oksigen yang dihasilkan selama fotosintesis dengan mudah meninggalkan daun.

Karbon dioksida hadir di udara yang kita hirup pada konsentrasi yang sangat rendah dan merupakan faktor penting dalam fase gelap fotosintesis.

Cahaya dalam proses fotosintesis

Lembaran tersebut biasanya memiliki luas permukaan yang cukup besar, sehingga dapat menyerap banyak cahaya. Permukaan atasnya terlindung dari kehilangan air, penyakit dan cuaca dengan lapisan lilin (kutikula). Bagian atas daun adalah tempat jatuhnya cahaya. Lapisan mesofil ini disebut palisade. Itu diadaptasi untuk menyerap sejumlah besar cahaya, karena mengandung banyak kloroplas.

Dalam fase cahaya, proses fotosintesis meningkat dengan lebih banyak cahaya. Lebih banyak molekul klorofil terionisasi, dan lebih banyak ATP dan NADPH dihasilkan jika foton cahaya difokuskan pada daun hijau. Meskipun cahaya sangat penting dalam fase cahaya, perlu dicatat bahwa jumlah cahaya yang berlebihan dapat merusak klorofil dan mengurangi fotosintesis.

Fase cahaya tidak terlalu bergantung pada suhu, air atau karbon dioksida, meskipun semuanya diperlukan untuk menyelesaikan proses fotosintesis.

Air selama fotosintesis

Tumbuhan mendapatkan air yang mereka butuhkan untuk fotosintesis melalui akarnya. Mereka memiliki rambut akar yang tumbuh di tanah. Akar memiliki luas permukaan yang besar dan dinding tipis yang memungkinkan air masuk dengan mudah.

Gambar menunjukkan tumbuhan dan selnya memiliki cukup air (kiri) dan kekurangan air (kanan).

Catatan: Sel akar tidak mengandung kloroplas karena biasanya berada dalam gelap dan tidak dapat berfotosintesis.

Jika tanaman tidak menyerap cukup air, tanaman akan layu. Tanpa air, tanaman tidak akan dapat berfotosintesis dengan cukup cepat dan bahkan mungkin mati.

Seberapa penting air untuk tanaman?

  • Memberikan mineral terlarut yang mendukung kesehatan tanaman;
  • Merupakan media transportasi;
  • Mendukung stabilitas dan kejujuran;
  • Mendinginkan dan melembabkan;
  • Itu memungkinkan untuk melakukan berbagai reaksi kimia dalam sel tumbuhan.

Pentingnya fotosintesis di alam

Proses biokimiawi fotosintesis menggunakan energi dari sinar matahari untuk mengubah air dan karbon dioksida menjadi oksigen dan glukosa. Glukosa digunakan sebagai bahan pembangun pada tumbuhan untuk pertumbuhan jaringan. Dengan demikian, fotosintesis adalah cara pembentukan akar, batang, daun, bunga, dan buah. Tanpa proses fotosintesis, tumbuhan tidak dapat tumbuh atau berkembang biak.

  • Produser

Karena kemampuan fotosintesisnya, tumbuhan dikenal sebagai produsen dan merupakan tulang punggung hampir di setiap rantai makanan di bumi. (Alga setara dengan tumbuhan dalam). Semua makanan yang kita makan berasal dari organisme yang berfotosintesis. Kami memakan tumbuhan ini secara langsung atau memakan hewan seperti sapi atau babi yang mengkonsumsi makanan nabati.

  • Tulang punggung rantai makanan

Dalam sistem akuatik, tumbuhan dan alga juga membentuk tulang punggung rantai makanan. Alga berfungsi sebagai makanan, yang pada gilirannya bertindak sebagai sumber makanan bagi organisme yang lebih besar. Tanpa fotosintesis di lingkungan akuatik, kehidupan tidak mungkin terjadi.

  • Penghapusan karbon dioksida

Fotosintesis mengubah karbon dioksida menjadi oksigen. Selama fotosintesis, karbon dioksida dari atmosfer memasuki tanaman dan kemudian dilepaskan sebagai oksigen. Di dunia sekarang ini, di mana tingkat karbon dioksida meningkat dengan kecepatan yang mengkhawatirkan, proses apa pun yang menghilangkan karbon dioksida dari atmosfer adalah penting bagi lingkungan.

  • Siklus Nutrisi

Tumbuhan dan organisme fotosintetik lainnya memainkan peran penting dalam siklus nutrisi. Nitrogen di udara difiksasi di jaringan tanaman dan tersedia untuk membuat protein. Elemen jejak yang ditemukan di tanah juga dapat dimasukkan ke dalam jaringan tanaman dan tersedia untuk herbivora lebih jauh di rantai makanan.

  • Kecanduan fotosintesis

Fotosintesis bergantung pada intensitas dan kualitas cahaya. Di khatulistiwa, di mana sinar matahari melimpah sepanjang tahun dan air bukan merupakan faktor pembatas, tanaman tumbuh dengan kecepatan tinggi dan bisa tumbuh cukup besar. Sebaliknya, fotosintesis di bagian laut yang lebih dalam lebih jarang terjadi karena cahaya tidak menembus lapisan ini, dan akibatnya, ekosistem ini lebih steril.

Fotosintesis adalah proses sintesis zat organik dari zat anorganik akibat energi cahaya. Dalam sebagian besar kasus, fotosintesis dilakukan oleh tumbuhan menggunakan organel sel seperti kloroplasmengandung pigmen hijau klorofil.

Jika tumbuhan tidak mampu mensintesis bahan organik, maka hampir semua organisme lain di bumi tidak akan memiliki makanan apapun, karena hewan, jamur dan banyak bakteri tidak dapat mensintesis zat organik dari yang anorganik. Mereka hanya menyerap yang sudah jadi, membaginya menjadi yang lebih sederhana, dari mana mereka menyusun lagi yang kompleks, tetapi sudah menjadi ciri khas tubuh mereka.

Ini adalah kasus dalam fotosintesis dan perannya sangat singkat. Untuk memahami fotosintesis, lebih banyak yang perlu dikatakan: zat anorganik spesifik apa yang digunakan, bagaimana sintesis berlangsung?

Fotosintesis membutuhkan dua zat anorganik - karbon dioksida (CO 2) dan air (H 2 O). Yang pertama diserap dari udara oleh bagian aerial tumbuhan terutama melalui stomata. Air - dari tanah, dari mana ia dikirim ke sel fotosintesis oleh sistem konduksi tanaman. Selain itu, fotosintesis membutuhkan energi foton (hν), tetapi tidak dapat dikaitkan dengan materi.

Secara total, fotosintesis menghasilkan bahan organik dan oksigen (O 2). Biasanya, bahan organik paling sering berarti glukosa (C 6 H 12 O 6).

Senyawa organik sebagian besar terdiri dari atom karbon, hidrogen, dan oksigen. Mereka adalah yang ditemukan di karbon dioksida dan air. Namun, oksigen dilepaskan selama fotosintesis. Atomnya diambil dari air.

Secara singkat dan umum persamaan reaksi fotosintesis biasanya dituliskan sebagai berikut:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Tetapi persamaan ini tidak mencerminkan esensi fotosintesis, tidak membuatnya dapat dimengerti. Begini, meskipun persamaannya seimbang, ia memiliki total 12 atom dalam oksigen bebas, tetapi kita katakan bahwa mereka berasal dari air, dan hanya ada 6 atom.

Faktanya, fotosintesis berlangsung dalam dua fase. Yang pertama disebut cahaya, yang kedua gelap... Nama-nama seperti itu disebabkan oleh fakta bahwa cahaya diperlukan hanya untuk fase terang, fase gelap tidak bergantung pada keberadaannya, tetapi ini tidak berarti bahwa ia masuk dalam kegelapan. Fase terang terjadi pada membran tilakoid kloroplas, fase gelap - di stroma kloroplas.

Pada fase terang, tidak ada pengikatan CO 2 yang terjadi. Yang ada hanya penangkapan energi matahari oleh kompleks klorofil, penyimpanannya di ATP, penggunaan energi untuk mengembalikan NADP menjadi NADP * H 2. Aliran energi dari klorofil yang tereksitasi oleh cahaya disediakan oleh elektron, yang ditransfer sepanjang rantai transpor elektron dari enzim yang dibangun ke dalam membran tilakoid.

Hidrogen untuk NADP diambil dari air, yang di bawah pengaruh sinar matahari, terurai menjadi atom oksigen, proton hidrogen, dan elektron. Proses ini disebut fotolisis... Oksigen dari air tidak diperlukan untuk fotosintesis. Atom oksigen dari dua molekul air bergabung membentuk molekul oksigen. Persamaan reaksi fasa cahaya fotosintesis secara singkat adalah sebagai berikut:

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

Dengan demikian, oksigen dilepaskan selama fase cahaya fotosintesis. Jumlah molekul ATP yang disintesis dari ADP dan asam fosfat per fotolisis dari satu molekul air dapat berbeda: satu atau dua.

Jadi, ATP dan NADP * H 2 berasal dari fase terang ke fase gelap. Di sini energi yang pertama dan gaya reduksi yang kedua dihabiskan untuk mengikat karbon dioksida. Tahap fotosintesis ini tidak dapat dijelaskan secara sederhana dan ringkas, karena tidak berlangsung seperti enam molekul CO 2 bergabung dengan hidrogen yang dilepaskan dari molekul NADP * H 2 untuk membentuk glukosa:

6CO 2 + 6NADP * H 2 → C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(Reaksi berlanjut dengan pengeluaran energi ATP, yang terurai menjadi ADP dan asam fosfat).

Reaksi di atas hanyalah penyederhanaan untuk memudahkan pemahaman. Faktanya, molekul karbon dioksida mengikat satu per satu, menempel pada bahan organik lima karbon yang sudah jadi. Bahan organik enam karbon yang tidak stabil terbentuk, yang terurai menjadi molekul karbohidrat tiga karbon. Beberapa molekul ini digunakan untuk resintesis substansi lima karbon asli untuk mengikat CO 2. Resintesis semacam itu disediakan siklus Calvin... Sebagian kecil dari molekul karbohidrat tiga karbon meninggalkan siklus. Sudah dari mereka dan zat lainnya, semua zat organik lainnya (karbohidrat, lemak, protein) disintesis.

Faktanya, gula tiga karbon, dan bukan glukosa, dilepaskan dari fase gelap fotosintesis.

DEFINISI: Fotosintesis adalah proses pembentukan zat organik dari karbondioksida dan air, dalam cahaya, dengan pelepasan oksigen.

Penjelasan singkat tentang fotosintesis

Proses fotosintesis meliputi:

1) kloroplas,

3) karbon dioksida,

5) suhu.

Pada tumbuhan tingkat tinggi, fotosintesis terjadi pada kloroplas - plastida berbentuk oval (organel semi otonom) yang mengandung pigmen klorofil, karena pada warna hijau bagian tumbuhan tersebut juga memiliki warna hijau.

Dalam alga, klorofil terkandung dalam kromatofor (sel yang mengandung pigmen dan pemantul cahaya). Ganggang coklat dan merah yang hidup di kedalaman yang cukup, di mana sinar matahari tidak menjangkau dengan baik, memiliki pigmen lain.

Jika Anda melihat piramida makanan semua makhluk hidup, organisme fotosintetik berada di paling bawah, sebagai bagian dari autotrof (organisme yang mensintesis bahan organik dari anorganik). Karena itu, mereka adalah sumber makanan bagi semua kehidupan di planet ini.

Selama fotosintesis, oksigen dilepaskan ke atmosfer. Di atmosfer atas, ozon terbentuk darinya. Perisai ozon melindungi permukaan bumi dari radiasi ultraviolet yang keras, memungkinkan kehidupan keluar dari laut ke darat.

Oksigen sangat penting untuk respirasi tumbuhan dan hewan. Ketika glukosa dioksidasi dengan partisipasi oksigen, mitokondria menyimpan energi hampir 20 kali lebih banyak daripada tanpa itu. Ini membuat penggunaan makanan jauh lebih efisien, menghasilkan tingkat metabolisme yang tinggi pada burung dan mamalia.

Penjelasan lebih detail tentang proses fotosintesis tumbuhan

Kemajuan fotosintesis:

Proses fotosintesis dimulai dengan masuknya cahaya pada kloroplas - organel semi-otonom intraseluler yang mengandung pigmen hijau. Di bawah pengaruh cahaya, kloroplas mulai mengonsumsi air dari tanah, memecahnya menjadi hidrogen dan oksigen.

Sebagian oksigen dilepaskan ke atmosfer, sebagian lagi menuju proses oksidatif di tumbuhan.

Gula bercampur dengan nitrogen, belerang dan fosfor yang berasal dari tanah, dengan cara ini tumbuhan hijau menghasilkan pati, lemak, protein, vitamin, dan senyawa kompleks lainnya yang diperlukan untuk kehidupan mereka.

Fotosintesis paling baik dilakukan di bawah pengaruh sinar matahari, tetapi beberapa tanaman dapat puas dengan cahaya buatan.

Deskripsi rumit tentang mekanisme fotosintesis untuk pembaca tingkat lanjut

Hingga tahun 60-an abad ke-20, para ilmuwan hanya mengetahui satu mekanisme untuk memperbaiki karbon dioksida - melalui jalur fosfat C3-pentosa. Akan tetapi, baru-baru ini sekelompok ilmuwan Australia berhasil membuktikan bahwa pada beberapa tumbuhan pengurangan karbon dioksida terjadi melalui siklus asam C4-dikarboksilat.

Pada tumbuhan dengan reaksi C3, fotosintesis terjadi paling aktif dalam kondisi suhu dan cahaya sedang, terutama di hutan dan di tempat gelap. Tanaman semacam itu mencakup hampir semua tanaman budidaya dan sebagian besar sayuran. Mereka membentuk dasar makanan manusia.

Pada tumbuhan dengan reaksi C4, fotosintesis terjadi paling aktif pada suhu tinggi dan kondisi cahaya. Tanaman semacam itu termasuk, misalnya jagung, sorgum, dan tebu, yang tumbuh di daerah beriklim hangat dan tropis.

Metabolisme tanaman sendiri ditemukan baru-baru ini, ketika dimungkinkan untuk mengetahui bahwa pada beberapa tanaman yang memiliki jaringan khusus untuk penyimpanan air, karbondioksida terakumulasi dalam bentuk asam organik dan difiksasi dalam karbohidrat hanya setelah sehari. Mekanisme ini membantu tanaman untuk menghemat persediaan air.

Bagaimana fotosintesis berlangsung

Tumbuhan menyerap cahaya dengan zat hijau yang disebut klorofil. Klorofil ditemukan di kloroplas, yang ditemukan di batang atau buah. Mereka sangat melimpah di daun, karena, karena strukturnya yang sangat datar, daun dapat menarik banyak cahaya, dan karenanya, menerima lebih banyak energi untuk proses fotosintesis.

Setelah penyerapan, klorofil berada dalam keadaan tereksitasi dan mentransfer energi ke molekul lain dari tubuh tumbuhan, terutama yang terlibat langsung dalam fotosintesis. Tahap kedua dari proses fotosintesis berlangsung tanpa partisipasi wajib cahaya dan terdiri dari memperoleh ikatan kimia dengan partisipasi karbon dioksida, yang diperoleh dari udara dan air. Pada tahap ini disintesis berbagai zat yang sangat berguna bagi kehidupan, seperti pati dan glukosa.

Zat organik ini digunakan oleh tanaman itu sendiri untuk memberi makan berbagai bagiannya, serta untuk mempertahankan kehidupan normal. Selain itu, zat ini juga diperoleh hewan dengan memakan tumbuhan. Orang juga mendapatkan zat ini dengan mengonsumsi makanan yang berasal dari hewani dan tumbuhan.

Kondisi untuk fotosintesis

Fotosintesis dapat terjadi baik di bawah pengaruh cahaya buatan maupun sinar matahari. Biasanya, di alam, tanaman "bekerja" secara intensif pada periode musim semi-musim panas, ketika ada banyak sinar matahari yang diperlukan. Di musim gugur, cahaya berkurang, siang hari menjadi lebih pendek, daun-daun menguning terlebih dahulu dan kemudian rontok. Tapi begitu matahari musim semi yang hangat muncul, dedaunan hijau muncul kembali dan "pabrik" hijau kembali bekerja untuk menyediakan oksigen, yang sangat diperlukan untuk kehidupan, serta banyak nutrisi lainnya.

Definisi alternatif fotosintesis

Fotosintesis (dari fotosintesis Yunani kuno dan sintesis - koneksi, pelipatan, pengikatan, sintesis) - proses pengubahan energi cahaya menjadi energi ikatan kimiawi zat organik dalam cahaya oleh fotoautotrof dengan partisipasi pigmen fotosintesis (klorofil pada tumbuhan, bakteri klorofil, dan bakteriorhodopsin pada bakteri ). Dalam fisiologi tumbuhan modern, fotosintesis sering dipahami sebagai fungsi fotoautotrofik - kombinasi dari proses penyerapan, pengubahan dan penggunaan energi kuanta cahaya dalam berbagai reaksi endergonik, termasuk pengubahan karbondioksida menjadi zat organik.

Fase fotosintesis

Fotosintesis adalah proses yang agak kompleks dan mencakup dua fase: terang, yang selalu terjadi secara eksklusif dalam terang, dan gelap. Semua proses berlangsung dalam kloroplas pada organ kecil khusus - tilakodia. Selama fase cahaya, kuantum cahaya diserap oleh klorofil, menghasilkan pembentukan molekul ATP dan NADPH. Dalam hal ini, air terurai, membentuk ion hidrogen dan melepaskan molekul oksigen. Muncul pertanyaan, apakah zat misterius yang tidak bisa dipahami ini: ATP dan NADH?

ATP adalah molekul organik khusus yang ditemukan di semua organisme hidup dan sering disebut sebagai mata uang "energi". Molekul inilah yang mengandung ikatan energi tinggi dan merupakan sumber energi untuk setiap sintesis organik dan proses kimiawi di dalam tubuh. Nah, NADPH sebenarnya adalah sumber hidrogen, ia digunakan langsung dalam sintesis zat organik dengan berat molekul tinggi - karbohidrat, yang terjadi pada fotosintesis fase gelap kedua menggunakan karbon dioksida.

Fase cahaya fotosintesis

Kloroplas mengandung banyak molekul klorofil, dan semuanya menyerap sinar matahari. Pada saat yang sama, cahaya diserap oleh pigmen lain, tetapi mereka tidak dapat melakukan fotosintesis. Proses itu sendiri hanya terjadi pada beberapa molekul klorofil, yang jumlahnya sangat sedikit. Molekul lain dari klorofil, karotenoid, dan zat lainnya membentuk antena khusus, serta kompleks pemanen cahaya (SSC). Mereka, seperti antena, menyerap kuanta cahaya dan mengirimkan eksitasi ke pusat reaksi khusus atau perangkap. Pusat-pusat ini terletak dalam fotosistem, di mana tumbuhan memiliki dua: fotosistem II dan fotosistem I. Mereka mengandung molekul klorofil khusus: masing-masing, dalam fotosistem II - P680, dan dalam fotosistem I - P700. Mereka menyerap cahaya dengan panjang gelombang persis ini (680 dan 700 nm).

Diagram memperjelas bagaimana segala sesuatu terlihat dan terjadi selama fase cahaya fotosintesis.

Pada gambar, kita melihat dua fotosistem dengan klorofil P680 dan P700. Gambar tersebut juga menunjukkan pembawa yang dilalui transpor elektron.

Jadi: kedua molekul klorofil dari dua fotosistem menyerap kuantum cahaya dan tereksitasi. Elektron e- (merah pada gambar) menuju ke tingkat energi yang lebih tinggi.

Elektron yang bersemangat memiliki energi yang sangat tinggi, mereka putus dan memasuki rantai pembawa khusus, yang terletak di membran tilakoid - struktur internal kloroplas. Gambar tersebut menunjukkan bahwa dari fotosistem II dari klorofil P680 sebuah elektron berpindah ke plastoquinone, dan dari fotosistem I dari klorofil P700 ke ferredoxin. Dalam molekul klorofil itu sendiri, sebagai pengganti elektron setelah pelepasannya, lubang biru dengan muatan positif akan terbentuk. Apa yang harus dilakukan?

Untuk mengganti kekurangan elektron, molekul klorofil P680 dari fotosistem II menerima elektron dari air, sementara ion hidrogen terbentuk. Selain itu, karena dekomposisi air itulah oksigen yang dilepaskan ke atmosfer terbentuk. Dan molekul klorofil P700, seperti yang dapat dilihat dari gambar, menutupi kekurangan elektron melalui sistem pembawa dari fotosistem II.

Secara umum, betapa pun sulitnya, seperti inilah fase cahaya fotosintesis berlangsung, esensi utamanya terletak pada transfer elektron. Dapat juga dilihat dari gambar bahwa secara paralel dengan transpor elektron, ion hidrogen H + bergerak melintasi membran, dan terakumulasi di dalam tilakoid. Karena ada banyak dari mereka di sana, mereka bergerak keluar dengan bantuan faktor kopling khusus, yang berwarna oranye pada gambar, ditampilkan di sebelah kanan dan terlihat seperti jamur.

Sebagai kesimpulan, kita melihat tahap akhir transpor elektron, yang hasilnya adalah pembentukan senyawa NADH yang disebutkan di atas. Dan karena transfer ion H +, mata uang energi disintesis - ATP (terlihat pada gambar di sebelah kanan).

Jadi, fase cahaya fotosintesis selesai, oksigen telah dilepaskan ke atmosfer, ATP dan NADH telah terbentuk. Apa berikutnya? Dimana organik yang dijanjikan? Dan kemudian tibalah tahap gelap, yang sebagian besar terdiri dari proses kimiawi.

Fase gelap fotosintesis

Untuk fotosintesis fase gelap, komponen wajib adalah karbon dioksida - CO2. Oleh karena itu, tanaman harus selalu menyerapnya dari atmosfer. Untuk tujuan ini, ada struktur khusus di permukaan stomata daun. Ketika mereka terbuka, CO2 memasuki bagian dalam daun, larut dalam air dan masuk ke dalam reaksi fotosintesis fase cahaya.

Selama fase cahaya, pada kebanyakan tumbuhan, CO2 berikatan dengan senyawa organik lima karbon (yang merupakan rantai lima molekul karbon), menghasilkan dua molekul senyawa tiga karbon (asam 3-fosfogliserat). Karena Hasil utamanya justru adalah senyawa tiga karbon ini; tumbuhan dengan jenis fotosintesis ini disebut tumbuhan C3.

Sintesis lebih lanjut dalam kloroplas agak sulit. Hasilnya, senyawa enam karbon terbentuk dari mana glukosa, sukrosa atau pati dapat disintesis di masa depan. Tumbuhan menyimpan energi dalam bentuk zat organik ini. Pada saat yang sama, hanya sebagian kecil dari mereka yang tersisa di daun, yang digunakan untuk kebutuhannya, sementara sisa karbohidrat bergerak ke seluruh tanaman, menuju ke tempat energi paling dibutuhkan - misalnya, ke titik pertumbuhan.

Fotosintesis adalah pengubahan energi cahaya menjadi energi ikatan kimia senyawa organik.

Fotosintesis merupakan ciri tumbuhan, termasuk semua alga, sejumlah prokariota, termasuk cyanobacteria, dan beberapa eukariota uniseluler.

Dalam kebanyakan kasus, fotosintesis menghasilkan oksigen (O 2) sebagai produk sampingan. Namun, ini tidak selalu terjadi, karena ada beberapa jalur fotosintesis yang berbeda. Dalam kasus pelepasan oksigen, sumbernya adalah air, yang darinya atom hidrogen dipisahkan untuk keperluan fotosintesis.

Fotosintesis terdiri dari berbagai reaksi yang melibatkan berbagai pigmen, enzim, koenzim, dll. Pigmen utama adalah klorofil, selain itu, karotenoid dan fikobilin.

Di alam, ada dua cara fotosintesis tumbuhan: C 3 dan C 4. Organisme lain memiliki spesifisitas reaksinya sendiri. Segala sesuatu yang menyatukan proses yang berbeda ini di bawah istilah "fotosintesis" - dalam semuanya, secara total, terjadi transformasi energi foton menjadi ikatan kimia. Sebagai perbandingan: selama kemosintesis, energi ikatan kimia dari beberapa senyawa (anorganik) diubah menjadi senyawa lain - organik.

Ada dua fase fotosintesis - terang dan gelap. Yang pertama bergantung pada radiasi cahaya (hν), yang diperlukan agar reaksi dapat dilanjutkan. Fase gelap tidak bergantung pada cahaya.

Pada tumbuhan, fotosintesis terjadi di kloroplas. Sebagai hasil dari semua reaksi, zat organik primer terbentuk, dari mana karbohidrat, asam amino, asam lemak, dll. Kemudian disintesis. Biasanya, reaksi total fotosintesis ditulis dalam hubungannya dengan glukosa - produk fotosintesis yang paling umum:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Atom oksigen yang menyusun molekul O2 tidak diambil dari karbon dioksida, tetapi dari air. Karbon dioksida adalah sumber karbonlebih penting. Berkat pengikatannya, tanaman memiliki kesempatan untuk mensintesis bahan organik.

Reaksi kimia di atas bersifat umum dan kumulatif. Ini jauh dari esensi proses. Dengan cara ini glukosa tidak terbentuk dari enam molekul karbon dioksida yang terpisah. Pengikatan CO 2 terjadi satu molekul pada satu waktu, yang pertama-tama menempel pada gula lima karbon yang sudah ada.

Prokariota dicirikan oleh kekhasan fotosintesis mereka sendiri. Jadi pada bakteri, pigmen utamanya adalah bakterioklorofil, dan oksigen tidak dilepaskan, karena hidrogen tidak diambil dari air, tetapi seringkali dari hidrogen sulfida atau zat lain. Pada alga biru-hijau, klorofil adalah pigmen utama, dan oksigen dilepaskan selama fotosintesis.

Fase cahaya fotosintesis

Pada fase cahaya fotosintesis, ATP dan NADPH 2 disintesis karena energi radiasi. Itu terjadi pada tilakoid kloroplasdi mana pigmen dan enzim membentuk kompleks kompleks untuk fungsi sirkuit elektrokimia, yang melaluinya elektron dan sebagian proton hidrogen ditransfer.

Elektron akhirnya berakhir di koenzim NADP, yang bermuatan negatif, menarik beberapa proton ke dirinya sendiri dan berubah menjadi NADPH 2. Selain itu, akumulasi proton di satu sisi membran tilakoid dan elektron di sisi lain menciptakan gradien elektrokimia, yang potensial digunakan oleh enzim ATP sintetase untuk mensintesis ATP dari ADP dan asam fosfat.

Pigmen utama fotosintesis adalah berbagai klorofil. Molekul mereka menangkap emisi spektrum cahaya tertentu, yang sebagian berbeda. Dalam hal ini, beberapa elektron molekul klorofil bergerak ke tingkat energi yang lebih tinggi. Ini adalah keadaan tidak stabil, dan, dalam teori, elektron dengan radiasi yang sama harus memberikan energi yang diterima dari luar ke ruang angkasa dan kembali ke tingkat sebelumnya. Namun, dalam sel fotosintesis, elektron tereksitasi ditangkap oleh akseptor dan, dengan penurunan energi secara bertahap, ditransfer sepanjang rantai pembawa.

Pada membran tilakoid terdapat dua jenis fotosistem yang mengeluarkan elektron saat terkena cahaya. Fotosistem adalah kompleks kompleks yang sebagian besar terdiri dari pigmen klorofilik dengan pusat reaksi, tempat elektron dilepaskan. Dalam fotosistem, sinar matahari menangkap banyak molekul, tetapi semua energi dikumpulkan di pusat reaksi.

Elektron dari fotosistem I, melewati rantai pembawa, mengurangi NADP.

Energi elektron yang terlepas dari fotosistem II digunakan untuk sintesis ATP. Dan elektron dari fotosistem II sendiri mengisi lubang elektron dari fotosistem I.

Lubang fotosistem kedua diisi dengan elektron yang dihasilkan fotolisis air... Fotolisis juga terjadi dengan partisipasi cahaya dan terdiri dari penguraian H 2 O menjadi proton, elektron, dan oksigen. Akibat fotolisis air itulah oksigen bebas terbentuk. Proton terlibat dalam menciptakan gradien elektrokimia dan mengurangi NADP. Klorofil fotosistem II menerima elektron.

Persamaan total perkiraan fase cahaya fotosintesis:

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

Transpor elektron siklik

Di atas adalah yang disebut fase cahaya non-siklik dari fotosintesis... Apakah masih ada lagi transpor elektron siklik saat reduksi NADP tidak terjadi... Dalam hal ini, elektron dari fotosistem I pergi ke rantai pembawa, tempat ATP disintesis. Artinya, rantai transpor elektron ini menerima elektron dari fotosistem I, bukan II. Fotosistem pertama menyadari, seolah-olah, sebuah siklus: elektron yang dipancarkan kembali ke sana. Dalam perjalanan, mereka menghabiskan sebagian energinya untuk mensintesis ATP.

Fotofosforilasi dan fosforilasi oksidatif

Fase cahaya fotosintesis dapat dibandingkan dengan tahap respirasi sel - fosforilasi oksidatif, yang terjadi pada krista mitokondria. Di sana juga, sintesis ATP terjadi karena transfer elektron dan proton di sepanjang rantai pembawa. Namun, dalam kasus fotosintesis, energi yang disimpan dalam ATP bukan untuk kebutuhan sel, tetapi terutama untuk kebutuhan fotosintesis fase gelap. Dan jika selama respirasi zat organik berfungsi sebagai sumber energi utama, maka selama fotosintesis itu adalah sinar matahari. Sintesis ATP selama fotosintesis disebut fotofosforilasibukan fosforilasi oksidatif.

Fase gelap fotosintesis

Untuk pertama kalinya, fase gelap fotosintesis dipelajari secara rinci oleh Calvin, Benson, Bassem. Siklus reaksi yang mereka temukan kemudian disebut siklus Calvin, atau fotosintesis C 3. Kelompok tumbuhan tertentu memiliki jalur fotosintesis C4 yang dimodifikasi, juga disebut siklus Hatch-Slack.

Dalam reaksi gelap fotosintesis, CO 2 tetap. Fase gelap terjadi di stroma kloroplas.

Reduksi CO 2 terjadi karena energi ATP dan daya reduksi NADP · H 2, yang terbentuk dalam reaksi ringan. Tanpa mereka, fiksasi karbon tidak akan terjadi. Oleh karena itu, meskipun fase gelap tidak secara langsung bergantung pada cahaya, biasanya juga terjadi pada cahaya.

Siklus Calvin

Reaksi pertama dari fase gelap adalah penambahan CO 2 ( karboksilasie) menjadi 1,5-ribulezobiphosphate ( ribulosa-1,5-difosfat) – RiBF... Yang terakhir adalah ribosa terfosforilasi ganda. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim ribulosa-1,5-difosfat karboksilase, juga disebut rubisco.

Sebagai hasil dari karboksilasi, senyawa enam karbon yang tidak stabil terbentuk, yang, sebagai hasil dari hidrolisis, terurai menjadi dua molekul tiga karbon. asam fosfogliserat (FHA) - produk pertama fotosintesis. FHA juga disebut fosfogliserat.

RuBP + CO 2 + H 2 O → 2FGK

FHA mengandung tiga atom karbon yang salah satunya merupakan bagian dari gugus karboksil asam (-COOH):

Gula tiga karbon (gliseraldehida fosfat) terbentuk dari FHA triosa fosfat (TF), termasuk sudah menjadi grup aldehida (-CHO):

FHA (3-asam) → TF (3-gula)

Reaksi ini membutuhkan energi ATP dan gaya reduksi NADP · H 2. TF adalah karbohidrat pertama dalam fotosintesis.

Setelah itu, sebagian besar triosa fosfat dihabiskan untuk regenerasi ribulosa bifosfat (RuBP), yang kembali digunakan untuk mengikat CO 2. Regenerasi melibatkan serangkaian reaksi mahal ATP yang melibatkan gula fosfat dengan 3 sampai 7 atom karbon.

Siklus RuBF ini adalah inti dari siklus Calvin.

Sebagian kecil dari TF yang terbentuk di dalamnya meninggalkan siklus Calvin. Dalam hal 6 molekul karbon dioksida terikat, hasilnya adalah 2 molekul triosa fosfat. Reaksi total siklus dengan produk masukan dan keluaran:

6CO 2 + 6H 2 O → 2ТФ

Dalam hal ini, 6 molekul RuBP berpartisipasi dalam pengikatan dan 12 molekul FHA terbentuk, yang diubah menjadi 12 TF, dimana 10 molekul tetap dalam siklus dan diubah menjadi 6 molekul RuBP. Karena TF adalah gula tiga karbon, dan RuBP adalah gula lima karbon, maka dalam kaitannya dengan atom karbon kita memiliki: 10 * 3 \u003d 6 * 5. Jumlah atom karbon yang memberikan siklus tidak berubah, semua RuBP yang diperlukan dibuat ulang. Dan enam molekul karbon dioksida yang termasuk dalam siklus dihabiskan untuk pembentukan dua molekul fosfat triosa yang meninggalkan siklus.

Untuk siklus Calvin, per 6 molekul CO 2 terikat, 18 molekul ATP dan 12 molekul NADPH 2 dihabiskan, yang disintesis dalam reaksi fase cahaya fotosintesis.

Perhitungan dilakukan untuk dua molekul triosa fosfat yang keluar dari siklus, karena molekul glukosa yang terbentuk selanjutnya mencakup 6 atom karbon.

Triosa fosfat (TF) adalah produk akhir dari siklus Calvin, tetapi hampir tidak bisa disebut produk akhir fotosintesis, karena hampir tidak terakumulasi, tetapi, bereaksi dengan zat lain, berubah menjadi glukosa, sukrosa, pati, lemak, asam lemak, asam amino. Selain TF, FGK memegang peranan penting. Namun, reaksi semacam itu tidak hanya terjadi pada organisme fotosintetik. Dalam pengertian ini, fase gelap fotosintesis sama dengan siklus Calvin.

Gula enam karbon dibentuk dari FHA dengan katalisis enzimatis bertahap fruktosa-6-fosfatyang berubah menjadi glukosa... Pada tumbuhan, glukosa dapat berpolimerisasi menjadi pati dan selulosa. Sintesis karbohidrat mirip dengan proses kebalikan dari glikolisis.

Fotorespirasi

Oksigen menghambat fotosintesis. Semakin banyak O2 di lingkungan, semakin kurang efisien proses fiksasi CO 2. Faktanya adalah bahwa enzim ribulosa bifosfat karboksilase (rubisco) dapat bereaksi tidak hanya dengan karbon dioksida, tetapi juga dengan oksigen. Dalam hal ini, reaksi gelap agak berbeda.

Fosfoglikolat adalah asam fosfoglikolat. Gugus fosfat segera dipisahkan darinya, dan berubah menjadi asam glikolat (glikolat). Oksigen sekali lagi dibutuhkan untuk "memanfaatkan" nya. Oleh karena itu, semakin banyak oksigen di atmosfer, semakin merangsang fotorespirasi dan semakin banyak tanaman akan membutuhkan oksigen untuk membuang produk reaksi.

Fotorespirasi adalah konsumsi oksigen dan produksi karbon dioksida, yang bergantung pada cahaya. Artinya, pertukaran gas terjadi seperti saat bernafas, tetapi terjadi di kloroplas dan bergantung pada radiasi cahaya. Fotorespirasi bergantung pada cahaya hanya karena ribulosa bifosfat terbentuk hanya selama fotosintesis.

Selama fotorespirasi, atom karbon dikembalikan dari glikolat ke dalam siklus Calvin dalam bentuk asam fosfogliserat (fosfogliserat).

2 Glikolat (C 2) → 2 Glioksilat (C 2) → 2 Glisin (C 2) - CO 2 → Serin (C 3) → Hidroksipiruvat (C 3) → Gliserat (C 3) → FHA (C 3)

Seperti yang Anda lihat, pengembaliannya tidak lengkap, karena satu atom karbon hilang selama konversi dua molekul glisin menjadi satu molekul asam amino serin, sedangkan karbon dioksida dilepaskan.

Oksigen diperlukan dalam langkah-langkah mengubah glikolat menjadi glioksilat dan glisin menjadi serin.

Konversi glikolat menjadi glioksilat, dan kemudian menjadi glisin terjadi di peroksisom, sintesis serin di mitokondria. Serin kembali memasuki peroksisom, di mana ia pertama kali menghasilkan hidroksipiruvat dan kemudian gliserat. Gliserat sudah memasuki kloroplas, di mana FHA disintesis darinya.

Fotorespirasi umumnya terjadi pada tumbuhan dengan fotosintesis tipe C 3. Ini dapat dianggap berbahaya karena energi yang terbuang dalam mengubah glikolat menjadi FHA. Rupanya fotorespirasi muncul karena fakta bahwa tumbuhan purba tidak siap menerima oksigen dalam jumlah besar di atmosfer. Awalnya, evolusi mereka terjadi di atmosfer yang kaya karbon dioksida, dan dialah yang terutama menangkap pusat reaksi enzim Rubisco.

C 4-fotosintesis, atau siklus Hatch-Slack

Jika pada C3-fotosintesis produk pertama dari fase gelap adalah asam fosfogliserat, yang mencakup tiga atom karbon, maka pada C4-produk pertama produk pertama adalah asam yang mengandung empat atom karbon: malat, oksaloasetat, aspartat.

Fotosintesis C 4 diamati di banyak tanaman tropis, misalnya tebu, jagung.

C 4 -tanaman menyerap karbon monoksida lebih efisien, mereka hampir tidak memiliki fotorespirasi yang diekspresikan.

Tanaman di mana fotosintesis fase gelap berlangsung di sepanjang jalur C 4 memiliki struktur daun khusus. Di dalamnya, bundel konduktor dikelilingi oleh sel lapis ganda. Lapisan dalam adalah penutup balok konduksi. Lapisan luar adalah sel mesofil. Lapisan sel kloroplas berbeda satu sama lain.

Kloroplas mesofilik dicirikan oleh butiran besar, aktivitas sistem foto yang tinggi, dan tidak adanya enzim RiBP karboksilase (rubisco) dan pati. Artinya, kloroplas sel-sel ini diadaptasi terutama untuk fase cahaya fotosintesis.

Dalam kloroplas sel bundel konduktor, grana hampir tidak berkembang, tetapi konsentrasi karboksilase RuBP tinggi. Kloroplas ini diadaptasi untuk fotosintesis fase gelap.

Karbon dioksida pertama-tama memasuki sel mesofil, mengikat asam organik, dalam bentuk ini diangkut ke sel selubung, dilepaskan dan kemudian mengikat dengan cara yang sama seperti pada tanaman C 3. Artinya, C 4 -path melengkapi daripada menggantikan C 3.

Di mesofil, CO 2 ditambahkan ke fosfoenolpiruvat (PEP) untuk membentuk oksaloasetat (asam), yang mengandung empat atom karbon:

Reaksi berlangsung dengan partisipasi enzim PEP-karboksilase, yang memiliki afinitas lebih tinggi untuk CO 2 daripada rubisco. Selain itu, PEP-karboksilase tidak berinteraksi dengan oksigen, yang berarti tidak dihabiskan untuk fotorespirasi. Dengan demikian, keuntungan dari fotosintesis C4 terletak pada fiksasi karbon dioksida yang lebih efisien, peningkatan konsentrasinya dalam sel selubung, dan, akibatnya, operasi RiBP karboksilase yang lebih efisien, yang hampir tidak dikonsumsi untuk fotorespirasi.

Oxaloacetate diubah menjadi 4-karbon asam dikarboksilat (malat atau aspartat), yang diangkut ke kloroplas sel selubung ikatan konduktif. Di sini asam didekarboksilasi (penghilangan CO 2), teroksidasi (penghilangan hidrogen) dan diubah menjadi piruvat. Hidrogen mengurangi NADP. Piruvat kembali ke mesofil, di mana PEP dibuat ulang darinya dengan konsumsi ATP.

Hilangnya CO 2 dalam kloroplas sel selubung menuju jalur C 3 yang biasa dari fase gelap fotosintesis, yaitu ke siklus Calvin.

Fotosintesis di sepanjang jalur Hatch-Slack membutuhkan lebih banyak energi.

Dipercaya bahwa jalur C 4 berkembang lebih lambat dari jalur C 3 dan dalam banyak hal merupakan adaptasi terhadap fotorespirasi.

- sintesis zat organik dari karbon dioksida dan air dengan penggunaan energi cahaya secara wajib:

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

Pada tumbuhan tingkat tinggi, organ fotosintesis adalah daun, organel fotosintesis adalah kloroplas (struktur kloroplas - kuliah No. 7). Pigmen fotosintesis dibangun ke dalam membran tilakoid kloroplas: klorofil dan karotenoid. Ada beberapa jenis klorofil ( a, b, c, d), yang utama adalah klorofil sebuah... Dalam molekul klorofil, seseorang dapat membedakan "kepala" porfirin dengan atom magnesium di tengah dan "ekor" fitol. "Kepala" porfirin adalah struktur datar, bersifat hidrofilik, dan oleh karena itu terletak pada permukaan membran yang menghadap media air dari stroma. "Ekor" fitol bersifat hidrofobik dan, karenanya, menjaga molekul klorofil di dalam membran.

Klorofil menyerap cahaya merah dan biru-ungu, memantulkan warna hijau dan oleh karena itu memberikan warna hijau yang khas pada tanaman. Molekul klorofil dalam membran tilakoid diatur dalam sistem foto... Tumbuhan dan alga biru-hijau memiliki fotosistem-1 dan fotosistem-2, sedangkan bakteri fotosintetik memiliki fotosistem-1. Hanya fotosistem-2 yang dapat menguraikan air dengan melepaskan oksigen dan mengambil elektron dari hidrogen air.

Fotosintesis adalah proses multistage yang kompleks; reaksi fotosintesis dibagi menjadi dua kelompok: reaksi fase cahaya dan reaksi fase gelap.

Fase cahaya

Fase ini hanya terjadi dengan adanya cahaya di membran tilakoid dengan partisipasi klorofil, protein transpor elektron dan enzim - ATP sintetase. Di bawah pengaruh kuantum cahaya, elektron klorofil tereksitasi, meninggalkan molekul dan memasuki sisi luar membran tilakoid, yang akhirnya menjadi bermuatan negatif. Molekul klorofil teroksidasi direduksi dengan mengambil elektron dari air, yang berada di ruang intratilakoid. Ini mengarah pada kerusakan atau fotolisis air:

Lampu H 2 O + Q → H + + OH -.

Ion hidroksil menyumbangkan elektronnya, berubah menjadi radikal reaktif.

OH - → .OH + e -.

Radikal OH bergabung membentuk air dan oksigen bebas:

4Tidak. → 2H 2 O + O 2.

Dalam hal ini, oksigen dibuang ke lingkungan luar, dan proton menumpuk di dalam tilakoid di "reservoir proton". Akibatnya, membran tilakoid di satu sisi bermuatan positif karena H +, di sisi lain karena elektron bermuatan negatif. Ketika perbedaan potensial antara sisi luar dan dalam membran tilakoid mencapai 200 mV, proton didorong melalui saluran ATP sintetase dan fosforilasi ADP menjadi ATP terjadi; atom hidrogen digunakan untuk mereduksi pembawa spesifik NADP + (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) menjadi NADPH 2:

2Н + + 2е - + NADP → NADPH 2.

Jadi, fotolisis air terjadi selama fase cahaya, yang disertai dengan tiga proses terpenting: 1) sintesis ATP; 2) pembentukan NADP · H 2; 3) pembentukan oksigen. Oksigen berdifusi ke atmosfer, ATP dan NADP · H 2 diangkut ke stroma kloroplas dan berpartisipasi dalam proses fase gelap.

1 - stroma kloroplas; 2 - grana tilakoid.

Fase gelap

Fase ini berlangsung di stroma kloroplas. Reaksinya tidak membutuhkan energi cahaya, sehingga terjadi tidak hanya dalam terang, tetapi juga dalam gelap. Reaksi fase gelap adalah rantai transformasi karbon dioksida yang berurutan (berasal dari udara), yang mengarah ke pembentukan glukosa dan zat organik lainnya.

Reaksi pertama dalam rantai ini adalah fiksasi karbon dioksida; karbon dioksida pemulung adalah gula lima karbon ribulosa bifosfat (RiBF); enzim mengkatalisis reaksi ribulosa bifosfat karboksilase (RuBP karboksilase). Sebagai hasil dari karboksilasi ribulosa bifosfat, senyawa enam karbon yang tidak stabil terbentuk, yang segera terurai menjadi dua molekul. asam fosfogliserat (FGK). Kemudian siklus reaksi terjadi di mana asam fosfogliserat diubah menjadi glukosa melalui serangkaian produk antara. Reaksi ini menggunakan energi ATP dan NADP · H 2 yang terbentuk pada fase cahaya; siklus reaksi ini disebut "siklus Calvin":

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

Selain glukosa, dalam proses fotosintesis, monomer lain dari senyawa organik kompleks terbentuk - asam amino, gliserol dan asam lemak, nukleotida. Saat ini, ada dua jenis fotosintesis yang dibedakan: fotosintesis C 3 dan C 4.

Fotosintesis C 3

Ini adalah jenis fotosintesis di mana produk pertama adalah senyawa tiga karbon (C 3). Fotosintesis C 3 ditemukan lebih awal dari fotosintesis C 4 (M. Calvin). Ini adalah fotosintesis C 3 yang dijelaskan di atas, di bawah judul "Fase gelap". Ciri-ciri fotosintesis C 3 adalah: 1) akseptor karbon dioksida adalah RuBP, 2) reaksi karboksilasi RuBP dikatalisis oleh RuBP karboksilase, 3) sebagai hasil karboksilasi RuBP, terbentuk senyawa enam karbon, yang terurai menjadi dua FHA. FGK dipulihkan ke triosa fosfat (TF). Sebagian TF digunakan untuk regenerasi RiBP, sebagian diubah menjadi glukosa.

1 - kloroplas; 2 - peroksisom; 3 - mitokondria.

Ini adalah penyerapan oksigen yang bergantung pada cahaya dan pelepasan karbon dioksida. Pada awal abad terakhir, ditemukan bahwa oksigen menekan fotosintesis. Ternyata, untuk karboksilase RiBP, substratnya tidak hanya karbon dioksida, tetapi juga oksigen:

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

Enzim tersebut disebut RiBP-oxygenase. Oksigen merupakan inhibitor kompetitif fiksasi karbon dioksida. Gugus fosfat dibelah dan fosfoglikolat menjadi glikolat, yang harus dimanfaatkan oleh tanaman. Ia memasuki peroksisom, di mana ia dioksidasi menjadi glisin. Glisin memasuki mitokondria, di mana ia dioksidasi menjadi serin, sedangkan karbon tetap hilang dalam bentuk CO 2. Akibatnya, dua molekul glikolat (2C + 2C) diubah menjadi satu FHA (3C) dan CO 2. Fotorespirasi menyebabkan penurunan hasil tanaman C 3 sebesar 30-40% ( C 3 -tanaman - tumbuhan yang bercirikan fotosintesis C 3).

С 4 -fotosintesis - fotosintesis, di mana produk pertamanya adalah senyawa empat karbon (С 4). Pada tahun 1965 ditemukan bahwa pada beberapa tumbuhan (tebu, jagung, sorgum, millet), produk pertama fotosintesis adalah asam empat karbon. Tanaman semacam itu diberi nama Dengan 4 tanaman... Pada tahun 1966, ilmuwan Australia Hatch and Slack menunjukkan bahwa tanaman C 4 hampir tidak memiliki fotorespirasi dan jauh lebih efisien dalam menyerap karbon dioksida. Jalur transformasi karbon pada tanaman C 4 mulai disebut dengan Hatch-Slack.

Untuk tumbuhan C 4, struktur anatomi khusus daun merupakan ciri khas. Semua bundel vaskular dikelilingi oleh dua lapis sel: sel terluar adalah sel mesofil, sedangkan bagian dalam adalah sel selubung. Karbon dioksida difiksasi di sitoplasma sel mesofil, penerima adalah fosfoenolpiruvat (FEP, 3C), sebagai hasil karboksilasi PEP, terbentuk oksaloasetat (4C). Prosesnya dikatalisasi PEP-karboksilase... Tidak seperti RuBP karboksilase, PEP karboksilase memiliki afinitas tinggi untuk CO 2 dan yang terpenting, tidak berinteraksi dengan O2. Di dalam kloroplas mesofil terdapat banyak butiran, dimana reaksi fase cahaya aktif. Dalam kloroplas sel selubung, reaksi fase gelap berlangsung.

Oxaloacetate (4C) diubah menjadi malat, yang diangkut melalui plasmodesmata ke sel selubung. Di sini ia didekarboksilasi dan didehidrasi untuk membentuk piruvat, CO 2 dan NADPH 2.

Piruvat kembali ke sel mesofil dan diregenerasi dengan mengorbankan energi ATP dalam PEP. CO 2 lagi-lagi difiksasi oleh RiBP karboksilase dengan pembentukan FHA. Regenerasi PEP membutuhkan energi ATP, oleh karena itu, energi yang dibutuhkan hampir dua kali lebih banyak dibandingkan dengan fotosintesis C3.

Pentingnya fotosintesis

Berkat fotosintesis, miliaran ton karbon dioksida diserap dari atmosfer setiap tahun, miliaran ton oksigen dilepaskan; fotosintesis adalah sumber utama pembentukan bahan organik. Oksigen membentuk lapisan ozon, yang melindungi organisme hidup dari radiasi ultraviolet gelombang pendek.

Selama fotosintesis, daun hijau hanya menggunakan sekitar 1% energi matahari yang jatuh di atasnya, produktivitasnya sekitar 1 g bahan organik per 1 m 2 permukaan per jam.

Kemosintesis

Sintesis senyawa organik dari karbondioksida dan air, dilakukan bukan karena energi cahaya, tetapi karena energi oksidasi zat anorganik, disebut kemosintesis... Organisme kemosintetik termasuk beberapa jenis bakteri.

Bakteri nitrifikasi amonia dioksidasi menjadi nitrous dan kemudian menjadi asam nitrat (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

Bakteri besi mengubah besi besi menjadi oksida (Fe 2+ → Fe 3+).

Bakteri belerang mengoksidasi hidrogen sulfida menjadi sulfur atau asam sulfat (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

Sebagai hasil dari reaksi oksidasi zat anorganik, energi dilepaskan, yang disimpan oleh bakteri dalam bentuk ikatan ATP berenergi tinggi. ATP digunakan untuk sintesis zat organik, yang berlangsung dengan cara yang mirip dengan reaksi fotosintesis fase gelap.

Bakteri kemosintetik berkontribusi pada akumulasi zat mineral di tanah, meningkatkan kesuburan tanah, meningkatkan pengolahan air limbah, dll.

    Pergi ke kuliah nomor 11 “Konsep metabolisme. Biosintesis protein "

    Pergi ke ceramah No. 13 "Metode pembagian sel eukariotik: mitosis, meiosis, amitosis"