>

Bitkilerde fotosentez süreci nasıl ve nerede gerçekleşir? Fotosentezden karbondioksit.

Gezegendeki her canlının hayatta kalmak için yiyeceğe veya enerjiye ihtiyacı vardır. Bazı organizmalar diğer canlılarla beslenirken, diğerleri kendi besinlerini üretebilir. fotosentez adı verilen bir süreçte kendileri yiyecek, glikoz üretirler.

Fotosentez ve solunum birbirine bağlıdır. Fotosentezin sonucu, içinde kimyasal enerji olarak depolanan glikozdur. Depolanan bu kimyasal enerji, inorganik karbonun (karbondioksit) organik karbona dönüştürülmesinden gelir. Solunum süreci depolanan kimyasal enerjiyi serbest bırakır.

Bitkilerin hayatta kalabilmek için ürettikleri besinlere ek olarak karbon, hidrojen ve oksijene de ihtiyaçları vardır. Topraktan emilen su, hidrojen ve oksijen sağlar. Fotosentez sırasında, yiyecekleri sentezlemek için karbon ve su kullanılır. Bitkiler ayrıca amino asit yapmak için nitratlara ihtiyaç duyar (bir amino asit, protein üretiminde bir bileşendir). Buna ek olarak, klorofil üretmek için magnezyuma ihtiyaçları vardır.

Not: Diğer besinlere bağımlı olan canlılara denir. İnekler ve böcek yiyen bitkiler gibi otoburlar, heterotrofların örnekleridir. Kendi besinini üreten canlılara denir. Yeşil bitkiler ve algler ototroflara örnektir.

Bu yazıda bitkilerde fotosentezin nasıl gerçekleştiği ve bu işlem için gerekli koşullar hakkında daha fazla bilgi edineceksiniz.

Fotosentez tayini

Fotosentez, bitkilerin, bazılarının ve alglerin, enerji kaynağı olarak yalnızca ışığı kullanarak karbondioksit ve sudan glikoz ve oksijen ürettikleri kimyasal süreçtir.

Bu süreç dünyadaki yaşam için son derece önemlidir, çünkü onun sayesinde tüm yaşamın bağlı olduğu oksijen açığa çıkar.

Bitkiler neden glikoza (besin) ihtiyaç duyar?

İnsanlar ve diğer canlılar gibi bitkiler de onları hayatta tutmak için besine ihtiyaç duyar. Bitkiler için glikoz değeri aşağıdaki gibidir:

  • Fotosentezden elde edilen glikoz, solunum sırasında bitkinin diğer hayati süreçler için ihtiyaç duyduğu enerjiyi serbest bırakmak için kullanılır.
  • Bitki hücreleri ayrıca glikozun bir kısmını ihtiyaç duyulduğunda kullanılan nişastaya dönüştürür. Bu nedenle ölü bitkiler kimyasal enerji depoladıkları için biyokütle olarak kullanılmaktadır.
  • Büyüme ve diğer önemli işlemler için gerekli olan proteinler, yağlar ve bitki şekerleri gibi diğer kimyasalları yapmak için de glikoza ihtiyaç vardır.

Fotosentez aşamaları

Fotosentez süreci iki aşamaya ayrılır: aydınlık ve karanlık.


Fotosentezin hafif fazı

Adından da anlaşılacağı gibi ışık evrelerinin güneş ışığına ihtiyacı vardır. Işığa bağlı reaksiyonlarda, güneş ışığının enerjisi klorofil tarafından emilir ve bir elektron taşıyıcı molekül NADPH (nikotinamid adenin dinükleotid fosfat) ve bir enerji molekülü ATP (adenozin trifosfat) şeklinde depolanmış kimyasal enerjiye dönüştürülür. Hafif fazlar kloroplast içindeki tilakoid membranlarda meydana gelir.

Fotosentezin karanlık aşaması veya Calvin döngüsü

Karanlık fazda veya Calvin döngüsünde, ışık fazından gelen uyarılmış elektronlar, karbondioksit moleküllerinden karbonhidrat oluşumu için enerji sağlar. Işıktan bağımsız aşamalar, sürecin döngüsel doğası nedeniyle bazen Calvin döngüsü olarak adlandırılır.

Karanlık fazlar ışığı reaktif olarak kullanmasalar da (ve sonuç olarak gündüz veya gece meydana gelebilir), işlev görmeleri için ışığa bağlı reaksiyonların ürünlerine ihtiyaçları vardır. Işıktan bağımsız moleküller, yeni karbonhidrat molekülleri oluşturmak için enerji taşıyıcı moleküllere (ATP ve NADPH) bağlıdır. Enerji transferinden sonra, enerji taşıyıcılarının molekülleri daha enerjik elektronlar elde etmek için ışık fazlarına geri döner. Ek olarak, birkaç karanlık faz enzimi ışıkla aktive edilir.

Fotosentez faz diyagramı

Not:Bu, bitkiler çok uzun süre ışıktan mahrum bırakılırsa, ışık fazlı ürünler kullandıkları için karanlık fazların devam etmeyeceği anlamına gelir.

Bitki yaprak yapısı

Yaprak yapısı hakkında daha fazla bilgi sahibi olmadan fotosentezi tam olarak inceleyemeyiz. Yaprak, fotosentez sürecinde hayati bir rol oynayacak şekilde uyarlanmıştır.

Yaprakların dış yapısı

  • Meydan

Bitkilerin en önemli özelliklerinden biri geniş yaprak yüzey alanıdır. Yeşil bitkilerin çoğu, fotosentez için gerektiği kadar güneş enerjisi (güneş ışığı) yakalayabilen geniş, düz ve açık yapraklara sahiptir.

  • Merkezi damar ve yaprak sapı

Merkezi damar ve yaprak sapı birbirine bağlanır ve yaprağın tabanını oluşturur. Yaprak sapı, yaprağı olabildiğince fazla ışık alacak şekilde konumlandırır.

  • Yaprak bıçak

Basit yaprakların bir yaprak plakası vardır ve karmaşık yaprakların birkaç yaprak vardır. Yaprak kanadı, fotosentez sürecine doğrudan dahil olan yaprağın en önemli bileşenlerinden biridir.

  • Damarlar

Yapraklardaki bir damar ağı, suyu saplardan yapraklara taşır. Açığa çıkan glikoz da yapraklardan damar yoluyla bitkinin diğer kısımlarına yönlendirilir. Ek olarak, tabakanın bu kısımları güneş ışığını daha iyi yakalamak için sac levhayı destekler ve düz tutar. Damarların yeri (venasyon) bitkinin türüne bağlıdır.

  • Sac tabanı

Yaprağın tabanı, gövde ile eklemlenmiş en alt kısmıdır. Çoğunlukla, yaprağın dibinde bir çift nokta bulunur.

  • Yaprak kenarı

Bitkinin türüne bağlı olarak, yaprak kenarı farklı bir şekle sahip olabilir, örneğin: tam kenarlı, tırtıklı, tırtıklı, çentikli, çentikli vb.

  • Yaprağın üstü

Yaprağın kenarı gibi, uç, keskin, yuvarlak, geniş, uzatılmış, çizilmiş vb.

Yaprakların iç yapısı

Aşağıda, yaprak dokularının iç yapısının benzer bir diyagramı bulunmaktadır:

  • Kütikül

Kütikül, bitki yüzeyinde ana koruyucu tabaka görevi görür. Genellikle sayfanın üst kısmı daha kalındır. Kütikül, bitkiyi sudan koruyan mum benzeri bir maddeyle kaplanmıştır.

  • Epidermis

Epidermis, yaprağın bütünleşik dokusu olan hücre tabakasıdır. Ana işlevi yaprağın iç dokularını su kaybından, mekanik hasarlardan ve enfeksiyonlardan korumaktır. Aynı zamanda gaz değişimi ve terleme sürecini de düzenler.

  • Mezofil

Mezofil, ana bitki dokusudur. Burası fotosentez sürecinin gerçekleştiği yerdir. Çoğu bitkide, mezofil iki katmana ayrılır: üst katman süngerimsi ve alt katman süngerimsi.

  • Koruyucu hücreler

Savunma hücreleri, gaz değişimini kontrol etmek için kullanılan yaprak epidermisinde bulunan özel hücrelerdir. Stomalar için koruyucu bir işlevi vardır. Stoma gözenekleri, su serbestçe mevcut olduğunda genişler, aksi takdirde savunma hücreleri halsizleşir.

  • Stoma

Fotosentez, karbondioksitin (CO2) havadan stoma yoluyla mezofil dokusuna nüfuz etmesine bağlıdır. Fotosentezin bir yan ürünü olarak üretilen oksijen (O2), bitkiyi stomalardan terk eder. Stomalar açıldığında, su buharlaşma ile kaybolur ve terleme akışı yoluyla kökler tarafından emilen su ile yenilenmesi gerekir. Bitkiler havadan emilen CO2 miktarını ve stoma gözeneklerinden su kaybını dengelemek zorunda kalır.

Fotosentez koşulları

Bitkilerin fotosentez sürecini gerçekleştirmesi için ihtiyaç duyduğu koşullar şunlardır:

  • Karbon dioksit. Havada bulunan ve bilimsel adı CO2 olan renksiz, kokusuz bir doğal gaz. Karbon ve organik bileşikler yandığında oluşur ve ayrıca solunum sırasında da oluşur.
  • Su... Berrak sıvı kimyasal, kokusuz ve tatsız (normal koşullar altında).
  • Parlamak.Yapay ışık bitkiler için de uygun olsa da, doğal güneş ışığı bitkiler üzerinde olumlu bir etkisi olan doğal UV radyasyonu içerdiğinden fotosentez için en iyi koşulları yaratma eğilimindedir.
  • Klorofil.Bitki yapraklarında bulunan yeşil bir pigmenttir.
  • Besinler ve Mineraller.Bitki köklerinin topraktan emdiği kimyasallar ve organik bileşikler.

Fotosentez sonucunda ne oluşur?

  • Glikoz;
  • Oksijen.

(Işık enerjisi madde olmadığı için parantez içinde gösterilmiştir)

Not: Bitkiler CO2'yi havadan yapraklarından, suyu ise topraktan köklerinden alırlar. Işık enerjisi güneşten gelir. Ortaya çıkan oksijen yapraklardan havaya salınır. Elde edilen glikoz, enerji deposu olarak kullanılan nişasta gibi başka maddelere dönüştürülebilir.

Fotosentezi destekleyen faktörler yoksa veya yetersiz miktarlarda mevcutsa, bu bitkiyi olumsuz etkileyebilir. Örneğin, daha az ışık, bitkinin yapraklarını yiyen böcekler için uygun koşullar yaratır ve su eksikliği yavaşlar.

Fotosentez nerede gerçekleşir?

Fotosentez, bitki hücrelerinde kloroplast adı verilen küçük plastidlerde gerçekleşir. Kloroplastlar (esas olarak mezofil katmanında bulunur) klorofil adı verilen yeşil bir madde içerir. Aşağıda, fotosentez yapmak için kloroplast ile çalışan hücrenin diğer kısımları bulunmaktadır.

Bitki hücre yapısı

Bitki hücresi parçalarının işlevleri

  • : yapısal ve mekanik destek sağlar, hücreleri korur, hücrenin şeklini düzeltir ve tanımlar, büyüme hızını ve yönünü kontrol eder ve bitkilere şekil verir.
  • : enzim kontrollü kimyasal işlemlerin çoğu için bir platform sağlar.
  • : maddelerin hücre içine ve dışına hareketini kontrol eden bir bariyer görevi görür.
  • : yukarıda açıklandığı gibi, fotosentez sırasında ışık enerjisini emen yeşil bir madde olan klorofil içerirler.
  • : Hücresel sitoplazma içinde suyu depolayan bir boşluk.
  • : hücre aktivitesini kontrol eden genetik bir işaret (DNA) içerir.

Klorofil, fotosentez için gerekli olan ışık enerjisini emer. Işığın tüm dalga boylarının absorbe edilmediğine dikkat etmek önemlidir. Bitkiler öncelikle kırmızı ve mavi dalgaları emer - yeşil aralıktaki ışığı absorbe etmezler.

Fotosentezden karbondioksit

Bitkiler, yapraklarından havadan karbondioksit alırlar. Karbondioksit, yaprağın altındaki küçük bir delikten (stomalar) sızar.

Yaprağın alt kısmı, karbondioksitin yapraklardaki diğer hücrelere ulaşması için gevşek bir şekilde yerleştirilmiş hücrelere sahiptir. Ayrıca fotosentez sırasında oluşan oksijenin yapraktan kolayca ayrılmasını sağlar.

Soluduğumuz havada çok düşük konsantrasyonlarda karbondioksit bulunur ve fotosentezin karanlık aşamasında gerekli bir faktördür.

Fotosentez sürecinde ışık

Tabaka genellikle geniş bir yüzey alanına sahiptir, bu nedenle çok fazla ışığı emebilir. Üst yüzeyi bir mum tabakası (kütikül) ile su kaybından, hastalıklardan ve hava koşullarından korunur. Yaprağın üstü, ışığın düştüğü yerdir. Bu mezofil katmanına palisade denir. Çok sayıda kloroplast içerdiği için büyük miktarda ışığı absorbe edecek şekilde uyarlanmıştır.

Hafif fazlarda, fotosentez süreci daha fazla ışıkla artar. Işık fotonları yeşil yaprağa odaklanırsa daha fazla klorofil molekülü iyonize edilir ve daha fazla ATP ve NADPH üretilir. Işık fazlarında ışık son derece önemli olsa da aşırı miktarlarda klorofile zarar verebileceği ve fotosentezi azaltabileceği unutulmamalıdır.

Işık fazları, fotosentez sürecini tamamlamak için hepsine ihtiyaç duyulmasına rağmen, sıcaklığa, suya veya karbondioksite çok bağlı değildir.

Fotosentez sırasında su

Bitkiler fotosentez için ihtiyaç duydukları suyu köklerinden alırlar. Toprakta büyüyen kök kılları vardır. Kökler geniş bir yüzey alanına ve suyun kolayca geçmesine izin veren ince duvarlara sahiptir.

Resim, yeterli suya (solda) ve susuzluğa (sağda) sahip bitkileri ve hücrelerini göstermektedir.

Not: Kök hücreler genellikle karanlıkta oldukları ve fotosentez yapamadıkları için kloroplast içermezler.

Bitki yeterince su emmezse, kurur. Su olmadan bitki yeterince hızlı fotosentez yapamaz ve hatta ölebilir.

Bitkiler için su ne kadar önemlidir?

  • Bitki sağlığını destekleyen çözünmüş mineraller sağlar;
  • Bir ulaşım aracıdır;
  • Kararlılığı ve doğruluğu destekler;
  • Soğutur ve nemlendirir;
  • Bitki hücrelerinde çeşitli kimyasal reaksiyonların gerçekleştirilmesini mümkün kılar.

Doğada fotosentezin önemi

Fotosentezin biyokimyasal süreci, güneş ışığından gelen enerjiyi su ve karbondioksiti oksijene ve glikoza dönüştürmek için kullanır. Glikoz, bitkilerde doku büyümesi için yapı taşları olarak kullanılır. Bu nedenle fotosentez, köklerin, gövdelerin, yaprakların, çiçeklerin ve meyvelerin oluşma biçimidir. Fotosentez süreci olmadan bitkiler büyüyemez veya çoğalamaz.

  • Yapımcılar

Bitkiler, fotosentetik yeteneklerinden dolayı üretici olarak bilinir ve dünyadaki hemen hemen her besin zincirinin bel kemiğidir. (Algler, bitkilerin eşdeğeridir). Yediğimiz tüm yiyecekler fotosentetik olan organizmalardan gelir. Bu bitkileri doğrudan ya da bitki besinleri tüketen inek veya domuz gibi hayvanları yeriz.

  • Besin zincirinin omurgası

Su sistemlerinde bitkiler ve algler de besin zincirinin omurgasını oluşturur. Algler, daha büyük organizmalar için besin kaynağı görevi gören bir besin görevi görür. Su ortamında fotosentez olmadan yaşam imkansız olurdu.

  • Karbondioksitin uzaklaştırılması

Fotosentez, karbondioksiti oksijene dönüştürür. Fotosentez sırasında, atmosferdeki karbondioksit bitkiye girer ve ardından oksijen olarak salınır. Karbondioksit seviyelerinin endişe verici bir oranda yükseldiği günümüz dünyasında, atmosferden karbondioksiti gideren herhangi bir işlem çevresel olarak önemlidir.

  • Besin Döngüsü

Bitkiler ve diğer fotosentetik organizmalar, besin döngüsünde hayati bir rol oynar. Havadaki azot, bitki dokularında sabitlenir ve protein yapmak için uygun hale gelir. Toprakta bulunan eser elementler de bitki dokusuna dahil edilebilir ve besin zincirinin daha aşağısındaki otçullar için kullanılabilir hale getirilebilir.

  • Fotosentetik bağımlılık

Fotosentez, ışığın yoğunluğuna ve kalitesine bağlıdır. Yıl boyunca güneş ışığının bol olduğu ve suyun sınırlayıcı bir faktör olmadığı ekvatorda bitkiler yüksek oranlarda büyür ve oldukça büyüyebilir. Tersine, okyanusun daha derin kısımlarında fotosentez daha az yaygındır çünkü ışık bu katmanlara nüfuz etmez ve sonuç olarak bu ekosistem daha kısırdır.

Fotosentez ışık enerjisi nedeniyle organik maddelerin inorganik maddelerden sentezlenmesi işlemidir. Vakaların ezici çoğunluğunda, fotosentez bitkiler tarafından şu hücre organelleri kullanılarak gerçekleştirilir. kloroplastlaryeşil pigment içeren klorofil.

Bitkiler organik maddeyi sentezleyemiyor olsaydı, hayvanlar, mantarlar ve birçok bakteri organik maddeleri inorganik olanlardan sentezleyemeyeceğinden, Dünya'daki neredeyse tüm diğer organizmaların beslenecek hiçbir şeyi olmazdı. Sadece hazır olanları emer, onları daha basit olanlara bölerler, onlardan tekrar karmaşık olanları toplarlar, ancak zaten vücutlarının karakteristik özelliği.

Fotosentezden ve rolünden kısaca bahsedersek durum budur. Fotosentezi anlamak için daha çok şey söylenmelidir: Hangi spesifik inorganik maddeler kullanılır, sentez nasıl gerçekleşir?

Fotosentez iki inorganik madde gerektirir - karbondioksit (CO 2) ve su (H 2 O). Birincisi, bitkilerin toprak üstü kısımları tarafından esas olarak stomalar yoluyla havadan emilir. Su - bitkinin iletken sistemi tarafından fotosentetik hücrelere verildiği yerden topraktan. Ayrıca fotosentez, fotonların (hν) enerjisini gerektirir, ancak bunlar maddeye atfedilemez.

Toplamda fotosentez, organik madde ve oksijen (O 2) üretir. Genellikle organik madde en çok glikoz anlamına gelir (C 6 H 12 O 6).

Organik bileşikler çoğunlukla karbon, hidrojen ve oksijen atomlarından oluşur. Karbondioksit ve suda bulunanlardır. Ancak fotosentez sırasında oksijen açığa çıkar. Atomları sudan alınır.

Kısaca ve genel olarak, fotosentez reaksiyonunun denklemi genellikle şu şekilde yazılır:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Ancak bu denklem fotosentezin özünü yansıtmaz, anlaşılır kılmaz. Bakın denklem dengeli olmasına rağmen serbest oksijende toplam 12 atom var ama bunların sudan geldiğini söyledik ve sadece 6 tane var.

Aslında fotosentez iki aşamada gerçekleşir. İlki denir ışıkikincisi karanlık... Bu tür isimler, ışığın sadece ışık fazı için gerekli olmasından, karanlık fazın varlığından bağımsız olmasından kaynaklanmaktadır, ancak bu karanlıkta gittiği anlamına gelmez. Işık fazı kloroplast tilakoid membranlarda, karanlık fazda - kloroplast stromasında meydana gelir.

Hafif fazda, CO 2 bağlanması oluşmaz. Sadece güneş enerjisinin klorofil kompleksleri tarafından yakalanması, ATP'de depolanması, NADP'yi NADP * H 2'ye geri yüklemek için enerji kullanımı vardır. Işıkla uyarılan klorofilden enerji akışı, tilakoid zarlarına yerleştirilmiş enzimlerin elektron taşıma zinciri boyunca aktarılan elektronlar tarafından sağlanır.

NADP için hidrojen, güneş ışığının etkisi altında oksijen atomlarına, hidrojen protonlarına ve elektronlara ayrışan sudan alınır. Bu sürece denir fotoliz... Fotosentez için sudan oksijene ihtiyaç yoktur. İki su molekülünden gelen oksijen atomları moleküler oksijen oluşturmak için birleşir. Fotosentezin hafif fazı için reaksiyon denklemi kısaca şu şekildedir:

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

Böylece fotosentezin hafif fazında oksijen açığa çıkar. Bir su molekülünün fotoliz başına ADP ve fosforik asitten sentezlenen ATP moleküllerinin sayısı farklı olabilir: bir veya iki.

Yani, ATP ve NADP * H 2, açık fazdan karanlık olana gelir. Burada birinci enerjinin enerjisi ve ikincisinin indirgeyici kuvveti karbondioksiti bağlamak için harcanır. Bu fotosentez aşaması basit ve kısaca açıklanamaz, çünkü altı CO2 molekülünün NADP * H 2 moleküllerinden salınan hidrojen ile glikoz oluşturmak üzere birleştiği şekilde ilerlemiyor:

6CO 2 + 6NADP * H 2 → C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(reaksiyon, ADP ve fosforik aside ayrışan ATP enerjisinin harcanmasıyla ilerler).

Yukarıdaki reaksiyon, anlamayı kolaylaştırmak için sadece bir basitleştirmedir. Aslında, karbondioksit molekülleri birer birer bağlanır, hazır beş karbonlu organik maddeye bağlanır. Üç karbonlu karbonhidrat moleküllerine ayrışan kararsız altı karbonlu bir organik madde oluşur. Bu moleküllerden bazıları, C02'yi bağlamak için orijinal beş karbonlu maddenin yeniden sentezi için kullanılır. Böyle bir yeniden sentez sağlanır calvin döngüsü... Üç karbonlu karbonhidrat moleküllerinin küçük bir kısmı döngüyü terk eder. Diğer tüm organik maddeler (karbonhidratlar, yağlar, proteinler) bunlardan ve diğer maddelerden sentezlenir.

Yani, aslında, fotosentezin karanlık fazından glikoz değil, üç karbonlu şeker salınır.

TANIM: Fotosentez, oksijen salınımı ile ışıkta karbondioksit ve sudan organik maddelerin oluşması işlemidir.

Fotosentezin kısa açıklaması

Fotosentez süreci şunları içerir:

1) kloroplastlar,

3) karbondioksit,

5) sıcaklık.

Daha yüksek bitkilerde, bitki kısımlarının da yeşil bir renge sahip olması nedeniyle klorofil pigmentini içeren oval şekilli plastitler (yarı otonom organeller) olan kloroplastlarda fotosentez meydana gelir.

Alglerde klorofil, kromatoforlarda (pigment içeren ve ışığı yansıtan hücreler) bulunur. Güneş ışığının iyi ulaşamadığı önemli derinliklerde yaşayan kahverengi ve kırmızı alglerde başka pigmentler bulunur.

Tüm canlıların besin piramidine bakarsanız, fotosentetik organizmalar ototrofların (organik maddeyi inorganikten sentezleyen organizmalar) bir parçası olarak en altta. Bu nedenle, gezegendeki tüm yaşam için besin kaynağıdırlar.

Fotosentez sırasında, oksijen atmosfere salınır. Üst atmosferde ondan ozon oluşur. Bir ozon kalkanı, Dünya'nın yüzeyini sert ultraviyole radyasyondan koruyarak yaşamın denizden karaya kaçmasına izin verir.

Oksijen, bitki ve hayvanların solunumu için gereklidir. Glikoz, oksijenin katılımıyla oksitlendiğinde, mitokondri onsuz olduğundan neredeyse 20 kat daha fazla enerji depolar. Bu, gıdanın kullanımını çok daha verimli hale getirerek, kuşlar ve memelilerde yüksek metabolik oranlara neden olur.

Bitkilerin fotosentez sürecinin daha ayrıntılı bir açıklaması

Fotosentez ilerlemesi:

Fotosentez süreci, yeşil pigment içeren hücre içi yarı otonom organeller olan kloroplastlara ışığın girmesiyle başlar. Işığın etkisi altında, kloroplastlar topraktaki suyu hidrojen ve oksijene bölerek tüketmeye başlar.

Oksijenin bir kısmı atmosfere salınır, diğer kısmı ise bitkide oksidatif işlemlere gider.

Şeker, topraktan gelen azot, kükürt ve fosfor ile birleşir, bu şekilde yeşil bitkiler, yaşamları için gerekli olan nişasta, yağlar, proteinler, vitaminler ve diğer karmaşık bileşikleri üretir.

Fotosentez en iyi şekilde güneş ışığının etkisi altında yapılır, ancak bazı bitkiler yapay ışıktan memnun olabilir.

İleri düzey okuyucu için fotosentez mekanizmalarının karmaşık bir açıklaması

20. yüzyılın 60'larına kadar, bilim adamları karbondioksiti sabitlemek için yalnızca bir mekanizma biliyorlardı - C3-pentoz fosfat yolu ile. Ancak son zamanlarda, bir grup Avustralyalı bilim adamı, bazı bitkilerde karbondioksitin azalmasının C4-dikarboksilik asit döngüsü yoluyla gerçekleştiğini kanıtlamayı başardı.

C3 reaksiyonlu bitkilerde, fotosentez en aktif olarak orta sıcaklık ve ışık koşulları altında, özellikle ormanlarda ve karanlık yerlerde meydana gelir. Bu tür bitkiler, hemen hemen tüm kültür bitkilerini ve sebzelerin çoğunu içerir. İnsan diyetinin temelini oluştururlar.

C4 reaksiyonu olan bitkilerde fotosentez, en aktif olarak yüksek sıcaklık ve ışık koşulları altında gerçekleşir. Bu tür bitkiler, örneğin sıcak ve tropikal iklimlerde yetişen mısır, sorgum ve şeker kamışını içerir.

Bitki metabolizmasının kendisi, su depolamak için özel dokulara sahip bazı bitkilerde karbondioksitin organik asitler şeklinde biriktiğini ve karbonhidratlarda ancak bir gün sonra sabitlendiğini bulmak mümkün olduğunda oldukça yakın zamanda keşfedildi. Bu mekanizma bitkilerin su kaynaklarını korumasına yardımcı olur.

Fotosentez nasıl gerçekleşir

Bitki ışığı klorofil adı verilen yeşil bir maddeyle emer. Klorofil, gövdelerde veya meyvelerde bulunan kloroplastlarda bulunur. Özellikle yapraklarda bol miktarda bulunurlar, çünkü çok düz yapıları nedeniyle yaprak çok fazla ışık çekebilir, bu nedenle fotosentez işlemi için çok daha fazla enerji alabilir.

Emildikten sonra, klorofil uyarılmış bir durumdadır ve enerjiyi bitkinin vücudundaki diğer moleküllere, özellikle de doğrudan fotosentezle ilgili olanlara aktarır. Fotosentez işleminin ikinci aşaması, ışığın zorunlu katılımı olmadan gerçekleşir ve hava ve sudan elde edilen karbondioksitin katılımıyla kimyasal bir bağ elde edilmesinden oluşur. Bu aşamada nişasta ve glikoz gibi yaşam için çok faydalı olan çeşitli maddeler sentezlenir.

Bu organik maddeler bitkiler tarafından bitkilerin çeşitli kısımlarını beslemek ve normal yaşamı sürdürmek için kullanılır. Ayrıca bu maddeler bitkilerle beslenen hayvanlar tarafından da elde edilir. İnsanlar ayrıca bu maddeleri hayvansal ve bitki kaynaklı yiyecekler yiyerek alırlar.

Fotosentez koşulları

Fotosentez hem yapay ışığın hem de güneş ışığının etkisi altında gerçekleşebilir. Kural olarak, doğada bitkiler çok fazla güneş ışığının olduğu ilkbahar-yaz döneminde yoğun bir şekilde "çalışırlar". Sonbaharda daha az ışık olur, gün kısalır, yapraklar önce sararır sonra düşer. Ancak ılık bahar güneşi ortaya çıkar çıkmaz, yeşil yapraklar yeniden ortaya çıkar ve yeşil "fabrikalar", yaşam için çok gerekli olan oksijeni ve diğer birçok besin maddesini sağlamak için yeniden çalışmaya başlar.

Fotosentezin alternatif tanımı

Fotosentez (eski Yunan fotosentezinden - ışık ve sentez - bağlantı, katlama, bağlama, sentez) - fotosentetik pigmentlerin (bitkilerde klorofil, bakteriyoklorofil ve bakterilerde bakteriyoklorofsin) katılımıyla ışık enerjisini ışıktaki organik maddelerin kimyasal bağlarının enerjisine fotoototroflarla dönüştürme işlemi ). Modern bitki fizyolojisinde, fotosentez genellikle fotoototrofik bir fonksiyon olarak anlaşılır - karbondioksitin organik maddelere dönüşümü de dahil olmak üzere çeşitli endergonik reaksiyonlarda ışık kuantasının enerjisinin emilmesi, dönüştürülmesi ve kullanılması işlemlerinin bir kombinasyonu.

Fotosentez aşamaları

Fotosentez oldukça karmaşık bir süreçtir ve iki aşama içerir: her zaman yalnızca aydınlıkta ve karanlıkta oluşan ışık. Tüm işlemler, özel küçük organlarda - tilakodia'da kloroplastlar içinde gerçekleşir. Işık fazı sırasında, bir kuantum ışık klorofil tarafından emilir, bu da ATP ve NADPH moleküllerinin oluşumuna neden olur. Bu durumda su ayrışır, hidrojen iyonları oluşturur ve bir oksijen molekülü salar. Soru ortaya çıkıyor, bu anlaşılmaz gizemli maddeler nelerdir: ATP ve NADH?

ATP, tüm canlı organizmalarda bulunan özel bir organik moleküldür ve genellikle "enerji" para birimi olarak anılır. Yüksek enerjili bağlar içeren ve vücuttaki herhangi bir organik sentez ve kimyasal işlem için enerji kaynağı olan bu moleküllerdir. Eh, NADPH aslında bir hidrojen kaynağıdır, doğrudan yüksek moleküler ağırlıklı organik maddelerin sentezinde kullanılır - karbondioksit kullanılarak fotosentezin ikinci, karanlık fazında oluşan karbonhidratlar.

Fotosentezin hafif fazı

Kloroplastlar çok fazla klorofil molekülü içerir ve hepsi güneş ışığını emer. Aynı zamanda ışık diğer pigmentler tarafından emilir ancak fotosentez yapamazlar. Sürecin kendisi yalnızca çok az sayıda bulunan bazı klorofil moleküllerinde gerçekleşir. Diğer klorofil molekülleri, karotenoidler ve diğer maddeler özel antenler ve ayrıca hafif hasat kompleksleri (SSC) oluşturur. Antenler gibi, ışık miktarını emer ve uyarımı özel reaksiyon merkezlerine veya tuzaklara iletirler. Bu merkezler, bitkilerin ikiye sahip olduğu fotosistemlerde bulunur: fotosistem II ve fotosistem I. Özel klorofil molekülleri içerirler: sırasıyla fotosistem II - P680 ve fotosistem I - P700'de. Tam olarak bu dalga boyundaki (680 ve 700 nm) ışığı emerler.

Şema, fotosentezin hafif aşamasında her şeyin nasıl göründüğünü ve gerçekleştiğini daha net hale getiriyor.

Şekilde, klorofil P680 ve P700 içeren iki fotosistem görüyoruz. Şekil ayrıca elektronların taşınmasının gerçekleştiği taşıyıcıları da gösterir.

Yani: iki fotosistemin her iki klorofil molekülü de bir miktar ışığı emer ve heyecanlanır. Elektron e- (şekilde kırmızı) daha yüksek bir enerji seviyesine gider.

Uyarılmış elektronlar çok yüksek bir enerjiye sahiptirler; koparlar ve kloroplastların iç yapıları olan tilakoidlerin zarlarında bulunan özel bir taşıyıcı zincire girerler. Şekil, klorofil P680'deki fotosistem II'den bir elektronun plastokinona ve fotosistem I'den klorofil P700'den ferredoksine geçtiğini göstermektedir. Klorofil moleküllerinde, ayrılmalarından sonra elektronların yerine, pozitif yüklü mavi delikler oluşur. Ne yapalım?

Elektron eksikliğini telafi etmek için, fotosistem II'nin klorofil P680 molekülü sudan elektron alırken hidrojen iyonları oluşur. Ek olarak, atmosfere salınan oksijenin oluştuğu suyun ayrışmasından kaynaklanmaktadır. Ve klorofil P700 molekülü, şekilden de görülebileceği gibi, fotosistem II'den taşıyıcılar sistemi yoluyla elektron eksikliğini telafi eder.

Genel olarak, ne kadar zor olursa olsun, fotosentezin ışık fazı bu şekilde ilerler, asıl özü elektron transferinde yatar. Şekilden, elektronların taşınmasına paralel olarak hidrojen iyonlarının H + zar boyunca hareket ettiği ve tilakoid içinde biriktiği de görülebilir. Orada birçoğu olduğu için, sağda gösterilen ve mantara benzeyen şekilde turuncu olan özel bir bağlantı faktörü yardımıyla dışa doğru hareket ederler.

Sonuç olarak, yukarıda bahsedilen NADH bileşiğinin oluşumu olan elektron taşınmasının son aşamasını görüyoruz. Ve H + iyonlarının transferi nedeniyle, bir enerji para birimi sentezlenir - ATP (sağdaki şekilde görülmektedir).

Böylece fotosentezin hafif fazı tamamlanmış, atmosfere oksijen salmış, ATP ve NADH oluşmuştur. Sıradaki ne? Söz verilen organik nerede? Daha sonra, esas olarak kimyasal işlemlerden oluşan karanlık aşama gelir.

Fotosentezin karanlık evresi

Fotosentezin karanlık fazı için zorunlu bir bileşen karbondioksit - CO2'dir. Bu nedenle bitkinin onu sürekli olarak atmosferden emmesi gerekir. Bu amaçla yaprak stoma yüzeyinde özel yapılar vardır. CO2 açıldığında yaprağın içine girer, suda çözünür ve fotosentezin hafif fazının reaksiyonuna girer.

Hafif faz sırasında, çoğu bitkide, CO2 beş karbonlu bir organik bileşiğe (beş karbon molekülünden oluşan bir zincirdir) bağlanarak üç karbonlu bir bileşiğin (3-fosfogliserik asit) iki molekülüyle sonuçlanır. Çünkü Birincil sonuç tam olarak bu üç karbonlu bileşiklerdir; bu tür fotosentez yapan bitkilere C3 bitkileri denir.

Kloroplastlarda daha fazla sentez yapmak oldukça zordur. Sonuç olarak, gelecekte glikoz, sükroz veya nişastanın sentezlenebileceği altı karbonlu bir bileşik oluşur. Bitki enerjiyi bu organik maddeler şeklinde depolar. Aynı zamanda, sadece küçük bir kısmı ihtiyaçları için kullanılan yaprakta kalırken, geri kalan karbonhidratlar bitkinin her yerinde, enerjiye en çok ihtiyaç duyulan yere, örneğin büyüme noktalarına gider.

Fotosentez, ışık enerjisinin kimyasal bağların enerjisine dönüştürülmesidir. organik bileşikler.

Fotosentez, tüm algler, siyanobakteriler de dahil olmak üzere bir dizi prokaryot ve bazı tek hücreli ökaryotlar dahil olmak üzere bitkilerin karakteristiğidir.

Çoğu durumda fotosentez, yan ürün olarak oksijen (O 2) üretir. Bununla birlikte, fotosentez için birkaç farklı yol olduğu için bu her zaman böyle değildir. Oksijen salınımı durumunda, kaynağı sudur ve buradan fotosentez ihtiyaçları için hidrojen atomları ayrılır.

Fotosentez, çeşitli pigmentler, enzimler, koenzimler, vb. İçeren çeşitli reaksiyonlardan oluşur. Ana pigmentler, bunlara ek olarak klorofiller, karotenoidler ve fikobilinlerdir.

Doğada bitki fotosentezinin iki yolu vardır: C 3 ve C 4. Diğer organizmaların kendilerine özgü reaksiyon özellikleri vardır. Bu farklı süreçleri "fotosentez" adı altında birleştiren her şey - hepsinde toplamda fotonların enerjisi kimyasal bir bağa dönüştürülür. Karşılaştırma için: kemosentez sırasında, bazı bileşiklerin (inorganik) kimyasal bağının enerjisi diğerlerine - organik olarak dönüştürülür.

İki fotosentez aşaması vardır - açık ve koyu. İlki, reaksiyonların ilerlemesi için gerekli olan ışık radyasyonuna (hv) bağlıdır. Karanlık faz ışıktan bağımsızdır.

Bitkilerde fotosentez kloroplastlarda gerçekleşir. Tüm reaksiyonların bir sonucu olarak, karbonhidratların, amino asitlerin, yağ asitlerinin vb. Daha sonra sentezlendiği birincil organik maddeler oluşur.Genellikle, toplam fotosentez reaksiyonu ile ilgili olarak yazılır. glikoz - fotosentezin en yaygın ürünü:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

O 2 molekülünü oluşturan oksijen atomları karbondioksitten değil sudan alınır. Karbondioksit bir karbon kaynağıdırdaha önemlisi. Bağlayıcı özelliği sayesinde bitkiler organik madde sentezleme imkanına sahiptir.

Yukarıdaki kimyasal reaksiyon genelleştirilmiş ve kümülatiftir. Sürecin özünden uzaktır. Bu şekilde, altı ayrı karbondioksit molekülünden glikoz oluşmaz. CO 2 bağlanması her seferinde bir molekül meydana gelir ve bu ilk önce zaten var olan beş karbonlu şekere bağlanır.

Prokaryotlar, kendi fotosentez özellikleriyle karakterize edilir. Dolayısıyla bakterilerde ana pigment bakteriyoklorofildir ve hidrojen sudan değil, çoğu zaman hidrojen sülfür veya diğer maddelerden alındığı için oksijen salınmaz. Mavi-yeşil alglerde klorofil ana pigmenttir ve fotosentez sırasında oksijen açığa çıkar.

Fotosentezin hafif fazı

Fotosentezin hafif fazında, ATP ve NADPH 2, radyan enerji nedeniyle sentezlenir. Olur kloroplastların tilakoidleri üzerindepigmentlerin ve enzimlerin, elektronların ve kısmen hidrojen protonlarının aktarıldığı elektrokimyasal devrelerin işleyişi için karmaşık kompleksler oluşturduğu yer.

Elektronlar sonunda koenzim NADP'ye ulaşır ve bu da negatif yüklü protonların bir kısmını kendine çeker ve NADPH 2'ye dönüşür. Ayrıca, tilakoid zarın bir tarafında protonların ve diğer tarafta elektronların birikmesi, ATP sentetaz enzimi tarafından ADP ve fosforik asitten ATP sentezlemek için kullanılan bir elektrokimyasal gradyan yaratır.

Fotosentezin ana pigmentleri çeşitli klorofillerdir. Molekülleri, belirli, kısmen farklı ışık spektrumlarının emisyonunu yakalar. Bu durumda, klorofil moleküllerinin bazı elektronları daha yüksek bir enerji seviyesine hareket eder. Bu kararsız bir durumdur ve teoride, aynı radyasyonla elektronlar dışarıdan alınan enerjiyi uzaya vermeli ve önceki seviyeye geri dönmelidir. Bununla birlikte, fotosentetik hücrelerde, uyarılmış elektronlar alıcılar tarafından yakalanır ve enerjilerinde kademeli bir azalma ile taşıyıcı zincir boyunca aktarılır.

Tilakoid zarlarda, ışığa maruz kaldığında elektron yayan iki tür fotosistem vardır. Fotosistemler, elektronların ayrıldığı bir reaksiyon merkezine sahip çoğunlukla klorofilik pigmentlerden oluşan karmaşık bir komplekstir. Fotosistemde güneş ışığı birçok molekülü yakalar, ancak tüm enerji reaksiyon merkezinde toplanır.

Taşıyıcı zincirden geçen fotosistem I elektronları NADP'yi azaltır.

Fotosistem II'den ayrılan elektronların enerjisi ATP'nin sentezi için kullanılır. Ve fotosistem II'nin elektronları, fotosistem I'in elektron boşluklarını doldurur.

İkinci fotosistemin delikleri elektronlarla doldurulur. su fotolizi... Fotoliz ayrıca ışığın katılımıyla meydana gelir ve H 2 O'nun protonlara, elektronlara ve oksijene ayrışmasından oluşur. Su fotolizinin bir sonucu olarak serbest oksijen oluşur. Protonlar, bir elektrokimyasal gradyan oluşturmada ve NADP'yi azaltmada rol oynarlar. Fotosistem II'nin klorofili elektronları alır.

Fotosentezin ışık fazının yaklaşık toplam denklemi:

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

Elektronların döngüsel taşınması

Yukarıdakiler sözde fotosentezin döngüsel olmayan ışık fazı... Biraz daha var mı nADP azalması meydana gelmediğinde döngüsel elektron taşınması... Bu durumda, fotosistemden elektronlar ATP'nin sentezlendiği taşıyıcı zincirine giderim. Yani, bu elektron taşıma zinciri elektronları II'den değil, fotosistem I'den alır. İlk fotosistem, olduğu gibi, bir döngü gerçekleştirir: yayılan elektronlar ona geri döner. Yolda enerjilerinin bir kısmını ATP'yi sentezlemek için harcarlar.

Fotofosforilasyon ve oksidatif fosforilasyon

Fotosentezin hafif fazı, mitokondriyal krista üzerinde meydana gelen hücresel solunum - oksidatif fosforilasyon aşaması ile karşılaştırılabilir. Burada da ATP sentezi, taşıyıcı zincir boyunca elektron ve protonların transferi nedeniyle gerçekleşir. Bununla birlikte, fotosentez durumunda, enerji ATP'de hücrenin ihtiyaçları için değil, esas olarak fotosentezin karanlık fazının ihtiyaçları için depolanır. Solunum sırasında organik maddeler birincil enerji kaynağı görevi görürse, o zaman fotosentez sırasında güneş ışığıdır. Fotosentez sırasında ATP'nin sentezine denir fotofosforilasyonoksidatif fosforilasyon yerine.

Fotosentezin karanlık evresi

İlk kez, fotosentezin karanlık aşaması Calvin, Benson, Bassem tarafından ayrıntılı olarak incelendi. Onlar tarafından keşfedilen reaksiyon döngüsüne daha sonra Calvin döngüsü veya C3 fotosentez adı verildi. Bazı bitki grupları, Hatch-Slack döngüsü olarak da adlandırılan, modifiye edilmiş bir C4 fotosentetik yola sahiptir.

Fotosentezin karanlık reaksiyonlarında CO 2 sabitlenir. Karanlık faz, kloroplast stromasında meydana gelir.

CO 2'nin azalması, ATP'nin enerjisi ve hafif reaksiyonlarda oluşan NADP · H 2'nin indirgeme gücü nedeniyle oluşur. Onlar olmadan karbon fiksasyonu gerçekleşmez. Bu nedenle, karanlık faz doğrudan ışığa bağlı olmamakla birlikte, genellikle ışıkta da meydana gelir.

Calvin döngüsü

Karanlık fazın ilk reaksiyonu, CO2 eklenmesidir ( karboksilasyone) 1,5-ribulezobifosfata ( ribuloz-1,5-difosfat) – RiBF... İkincisi, iki kat fosforile ribozdur. Bu reaksiyon, ribuloz-1,5-difosfat karboksilaz enzimi tarafından katalize edilir. rubisco.

Karboksilasyonun bir sonucu olarak, hidrolizin bir sonucu olarak iki üç karbonlu moleküle ayrışan kararsız altı karbonlu bir bileşik oluşur. fosfogliserik asit (FHA) - fotosentezin ilk ürünü. FHA ayrıca fosfogliserat olarak da adlandırılır.

RuBP + CO 2 + H 2 O → 2FGK

FHA, biri asidik karboksil grubunun (-COOH) bir parçası olan üç karbon atomu içerir:

FHA'dan üç karbonlu şeker (gliseraldehit fosfat) oluşur trioz fosfat (TF), zaten bir aldehit grubu (-CHO) dahil:

FHA (3-asit) → TF (3-şeker)

Bu reaksiyon ATP'nin enerjisini ve NADP · H 2'nin indirgeme kuvvetini gerektirir. TF, fotosentezdeki ilk karbonhidrattır.

Bundan sonra, trioz fosfatın çoğu, yine CO2'yi bağlamak için kullanılan ribuloz bifosfatın (RuBP) rejenerasyonu için harcanır. Rejenerasyon, 3 ila 7 karbon atomlu şeker fosfatlarını içeren bir dizi ATP maliyetli reaksiyonu içerir.

Bu RuBF döngüsü, Calvin döngüsünün özüdür.

İçinde oluşan TF'nin daha küçük bir kısmı Calvin döngüsünü terk eder. 6 bağlı karbondioksit molekülü açısından, verim 2 trioz fosfat molekülüdür. Döngünün girdi ve çıktı ürünleriyle toplam reaksiyonu:

6CO 2 + 6H 2 O → 2ТФ

Bu durumda 6 RuBP molekülü bağlanmaya katılır ve 12 TF'ye dönüştürülen, 10 molekülü döngüde kalan ve 6 RuBP molekülüne dönüştürülen 12 FHA molekülü oluşur. TF üç karbonlu bir şeker olduğundan ve RuBP beş karbonlu bir şeker olduğundan, karbon atomlarına göre: 10 * 3 \u003d 6 * 5. Döngüyü sağlayan karbon atomlarının sayısı değişmez, gerekli tüm RuBP yeniden oluşturulur. Döngüye dahil olan altı karbondioksit molekülü, döngüden çıkan iki trioz fosfat molekülünün oluşumuna harcanır.

Calvin döngüsü için, fotosentezin hafif fazının reaksiyonlarında sentezlenen 6 bağlı CO2 molekülü başına 18 ATP molekülü ve 12 NADPH 2 molekülü harcanır.

Hesaplama, döngüden çıkan iki trioz fosfat molekülü için yapılır, çünkü ortaya çıkan glikoz molekülü 6 karbon atomu içerir.

Trioz fosfat (TF), Calvin döngüsünün son ürünüdür, ancak neredeyse hiç birikmediği için fotosentezin son ürünü olarak adlandırılamaz, ancak diğer maddelerle reaksiyona girerek glikoz, sukroz, nişasta, yağlar, yağ asitleri, amino asitlere dönüşür. TF'ye ek olarak, FGK önemli bir rol oynamaktadır. Ancak bu tür reaksiyonlar sadece fotosentetik organizmalarda meydana gelmez. Bu anlamda fotosentezin karanlık aşaması, Calvin döngüsü ile aynıdır.

Kademeli enzimatik katalizle FHA'dan altı karbonlu şeker oluşturulur fruktoz-6-fosfatdönüşüyor glikoz... Bitkilerde glikoz, nişasta ve selüloza polimerize olabilir. Karbonhidratların sentezi, glikolizin ters sürecine benzer.

Fotorespirasyon

Oksijen fotosentezi engeller. Ortamda ne kadar çok O 2 varsa, CO 2 sabitleme işlemi o kadar az verimli olur. Gerçek şu ki, ribuloz bifosfat karboksilaz enzimi (rubisco) sadece karbondioksitle değil aynı zamanda oksijenle de reaksiyona girebilir. Bu durumda, karanlık tepkiler biraz farklıdır.

Fosfoglikolat, bir fosfoglikolik asittir. Fosfat grubu hemen ondan ayrılır ve glikolik aside (glikolat) dönüşür. Oksijen "kullanmak" için tekrar gereklidir. Bu nedenle, atmosferde oksijen ne kadar fazlaysa fotorespirasyonu o kadar çok uyaracak ve bitkinin reaksiyon ürünlerinden kurtulmak için o kadar çok oksijene ihtiyacı olacaktır.

Fotorespirasyon, ışığa bağlı olan oksijen tüketimi ve karbondioksit üretimidir. Yani, gaz değişimi nefes alma sırasında olduğu gibi gerçekleşir, ancak kloroplastlarda meydana gelir ve ışık radyasyonuna bağlıdır. Fotorespirasyon yalnızca ışığa bağlıdır çünkü ribuloz bifosfat yalnızca fotosentez sırasında oluşur.

Fotorespirasyon sırasında, karbon atomları glikolattan Calvin döngüsüne fosfogliserik asit (fosfogliserat) biçiminde döndürülür.

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)

Gördüğünüz gibi, iki glisin molekülünün bir serin amino asit molekülüne dönüştürülmesi sırasında bir karbon atomu kaybedilirken karbondioksit salındığından, geri dönüş tamamlanmamıştır.

Glikolatı glioksilata ve glisini serine dönüştürme aşamalarında oksijen gereklidir.

Glikolatın glioksilata ve ardından glisin haline dönüşümü peroksizomlarda, mitokondride serin sentezinde meydana gelir. Serin tekrar peroksizomlara girer ve burada önce hidroksipiruvat ve sonra gliserat üretir. Gliserat, FHA'nın ondan sentezlendiği kloroplastlara zaten girer.

Fotorespirasyon esas olarak C3-tipi fotosentez olan bitkiler için tipiktir. Glikolatı FHA'ya dönüştürürken enerji israf edildiği için zararlı olarak kabul edilebilir. Görünüşe göre fotorespirasyon, eski bitkilerin atmosferde büyük miktarda oksijene hazır olmaması nedeniyle ortaya çıktı. Başlangıçta, evrimleri karbondioksit bakımından zengin bir atmosferde gerçekleşti ve esas olarak Rubisco enziminin reaksiyon merkezini ele geçiren oydu.

C 4-fotosentez veya Hatch-Slack döngüsü

C3-fotosentezde, karanlık fazın ilk ürünü, üç karbon atomu içeren fosfogliserik asit ise, o zaman C4-yolunda ilk ürünler, dört karbon atomu içeren asitlerdir: malik, oksaloasetik, aspartik.

Şeker kamışı, mısır gibi birçok tropik bitkide C4-fotosentez gözlemlenir.

C4-bitkileri karbon monoksiti daha verimli bir şekilde emer, neredeyse hiç ifade edilmiş fotorespirasyonu yoktur.

Fotosentezin karanlık fazının C4 yolu boyunca ilerlediği bitkiler özel bir yaprak yapısına sahiptir. İçinde, iletken demetler çift hücre tabakası ile çevrilidir. İç katman, iletken kirişin kaplamasıdır. Dış katman mezofil hücreleridir. Kloroplast hücre katmanları birbirinden farklıdır.

Mezofilik kloroplastlar, büyük granüller, yüksek fotosistem aktivitesi ve RuBP-karboksilaz (Rubisco) ve nişasta enziminin yokluğu ile karakterize edilir. Yani bu hücrelerin kloroplastları esas olarak fotosentezin hafif fazına uyarlanmıştır.

İletken demet hücrelerinin kloroplastlarında grana neredeyse gelişmemiştir, ancak RuBP karboksilaz konsantrasyonu yüksektir. Bu kloroplastlar, fotosentezin karanlık fazı için uyarlanmıştır.

Karbondioksit önce mezofil hücrelere girer, organik asitlere bağlanır, bu şekilde kılıf hücrelere taşınır, serbest bırakılır ve daha sonra C3 bitkilerinde olduğu gibi bağlanır. Yani, C 4-yolu, C 3'ün yerini almaktansa tamamlar.

Mezofilde, dört karbon atomu içeren oksaloasetat (asit) oluşturmak için fosfoenolpiruvata (PEP) CO 2 eklenir:

Reaksiyon, rubisco'dan daha yüksek bir CO2 afinitesi olan PEP-karboksilaz enziminin katılımıyla gerçekleşir. Ek olarak, PEP-karboksilaz oksijenle etkileşime girmez, bu da onun fotorespirasyona harcanmadığı anlamına gelir. Dolayısıyla, C4 fotosentezinin avantajı, karbon dioksitin daha verimli bir şekilde sabitlenmesinde, kılıf hücrelerindeki konsantrasyonunun artmasında ve sonuç olarak, fotorespirasyon için neredeyse hiç tüketilmeyen RiBP karboksilazın daha verimli çalışmasında yatmaktadır.

Oksaloasetat, iletken demetlerin kılıf hücrelerinin kloroplastlarına taşınan 4 karbonlu dikarboksilik aside (malat veya aspartat) dönüştürülür. Burada asit dekarboksilatlanır (CO2 uzaklaştırma), oksitlenir (hidrojen uzaklaştırma) ve piruvata dönüştürülür. Hidrojen, NADP'yi azaltır. Piruvat, ATP'nin tüketimi ile PEP'in ondan yeniden üretildiği mezofile geri döner.

Kılıf hücrelerinin kloroplastlarındaki CO2 yırtılmış, fotosentezin karanlık fazının normal C3 yoluna, yani Calvin döngüsüne gider.

Hatch-Slack yolu boyunca fotosentez daha fazla enerji gerektirir.

C4 yolunun C3 yolundan daha sonra geliştiğine ve birçok yönden fotorespirasyona karşı bir adaptasyon olduğuna inanılmaktadır.

- zorunlu ışık enerjisi kullanımı ile karbondioksit ve sudan organik maddelerin sentezi:

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

Daha yüksek bitkilerde, fotosentez organı bir yapraktır, fotosentez organelleri kloroplastlardır (kloroplastların yapısı - 7 numaralı ders). Fotosentetik pigmentler, kloroplast tilakoid membranlara yerleştirilir: klorofiller ve karotenoidler. Birkaç farklı klorofil türü vardır ( a, b, c, d), ana klorofildir a... Klorofil molekülünde, merkezde bir magnezyum atomu ve bir fitol "kuyruğu" olan bir porfirin "kafası" ayırt edilebilir. Porfirin "başı" düz bir yapıdır, hidrofiliktir ve bu nedenle zarın stromanın sulu ortamına bakan yüzeyinde uzanır. Fitol "kuyruğu" hidrofobiktir ve bu nedenle klorofil molekülünü membranda tutar.

Klorofiller kırmızı ve mavi-mor ışığı emer, yeşili yansıtır ve bu nedenle bitkilere karakteristik yeşil rengini verir. Tilakoid zarlardaki klorofil molekülleri, fotoğraf sistemleri... Bitkiler ve mavi-yeşil algler fotosistem-1 ve fotosistem-2'ye sahipken, fotosentetik bakteriler fotosistem-1'e sahiptir. Yalnızca fotosistem-2, oksijenin salınmasıyla suyu ayrıştırabilir ve sudaki hidrojenden elektronları alabilir.

Fotosentez, karmaşık çok aşamalı bir süreçtir; fotosentetik reaksiyonlar iki gruba ayrılır: reaksiyonlar ışık fazı ve tepkiler karanlık evre.

Işık fazı

Bu faz, yalnızca klorofil, elektron taşıma proteinleri ve bir enzim - ATP sentetazın katılımıyla tilakoidlerin zarlarında ışık varlığında meydana gelir. Bir kuantum ışığın etkisi altında, klorofil elektronları uyarılır, molekülü terk eder ve nihayetinde negatif yüklü hale gelen tilakoid zarın dış tarafına girer. Oksitlenmiş klorofil molekülleri, intratilakoid boşlukta bulunan sudan elektron alarak indirgenir. Bu, suyun parçalanmasına veya fotolizine yol açar:

H 2 O + Q ışık → H + + OH -.

Hidroksil iyonları elektronlarını bağışlayarak reaktif radikallere dönüşür.

OH - → .OH + e -.

Radikal OH, su ve serbest oksijen oluşturmak için birleşir:

4 HAYIR. → 2H 2 O + O 2.

Bu durumda, oksijen dış ortama çıkarılır ve protonlar tilakoidin içinde "proton rezervuarı" içinde birikir. Sonuç olarak, tilakoid zar bir yandan H + nedeniyle pozitif, diğer yandan elektronlar nedeniyle negatif yüklüdür. Tilakoid zarın dış ve iç tarafları arasındaki potansiyel fark 200 mV'ye ulaştığında, protonlar ATP sentetaz kanallarından itilir ve ADP'nin ATP'ye fosforilasyonu meydana gelir; atomik hidrojen, spesifik taşıyıcı NADP + 'yı (nikotinamid adenin dinükleotid fosfat) NADPH 2'ye indirgemek için kullanılır:

2Н + + 2е - + NADP → NADPH 2.

Bu nedenle, suyun fotolizi, en önemli üç işlemin eşlik ettiği ışık fazı sırasında meydana gelir: 1) ATP sentezi; 2) NADP · H2 oluşumu; 3) oksijen oluşumu. Oksijen atmosfere yayılır, ATP ve NADP · H 2 kloroplast stromasına taşınır ve karanlık faz işlemlerine katılır.

1 - kloroplast stroma; 2 - grana tilakoid.

Karanlık evre

Bu aşama kloroplast stromasında gerçekleşir. Tepkimeleri ışık enerjisine ihtiyaç duymadığından sadece ışıkta değil karanlıkta da meydana gelir. Karanlık faz reaksiyonları, glikoz ve diğer organik maddelerin oluşumuna yol açan (havadan gelen) sıralı karbondioksit dönüşümleri zinciridir.

Bu zincirdeki ilk reaksiyon karbondioksit fiksasyonudur; karbondioksit süpürücü beş karbonlu şekerdir ribuloz bifosfat (RiBF); enzim reaksiyonu katalize eder ribuloz bifosfat karboksilaz (RuBP karboksilaz). Ribuloz bifosfatın karboksilasyonunun bir sonucu olarak, hemen iki moleküle ayrışan kararsız altı karbonlu bir bileşik oluşur. fosfogliserik asit (FGK). Daha sonra, fosfogliserik asidin bir dizi ara ürün yoluyla glikoza dönüştürüldüğü bir reaksiyon döngüsü gerçekleşir. Bu reaksiyonlar, hafif fazda oluşan ATP ve NADP · H 2 enerjilerini kullanır; bu reaksiyonların döngüsüne "Kalvin döngüsü" denir:

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

Glikoza ek olarak, fotosentez sürecinde, karmaşık organik bileşiklerin diğer monomerleri oluşur - amino asitler, gliserol ve yağ asitleri, nükleotitler. Şu anda, iki tür fotosentez ayırt edilmektedir: C3 ve C 4 fotosentez.

C 3 fotosentez

Bu, ilk ürünün üç karbonlu (C3) bileşikler olduğu bir tür fotosentezdir. C3 fotosentez, C4 fotosentezinden (M. Calvin) daha önce keşfedilmiştir. Yukarıda "Karanlık evre" başlığı altında açıklanan C3 fotosentezidir. C3 fotosentezinin karakteristik özellikleri: 1) karbon dioksit alıcısı RuBP'dir, 2) RuBP'nin karboksilasyonu, RuBP karboksilaz tarafından katalize edilir, 3) RuBP'nin karboksilasyonu sonucunda, iki FHA'ya ayrışan altı karbonlu bir bileşik oluşur. FGK şu şekilde geri yüklendi: trioz fosfatlar (TF). TF'nin bir kısmı RiBP'nin rejenerasyonuna gider, bir kısmı glikoza dönüştürülür.

1 - kloroplast; 2 - peroksizom; 3 - mitokondri.

Işığa bağlı bir oksijen emilimi ve karbondioksit salınımıdır. Geçen yüzyılın başında oksijenin fotosentezi baskıladığı bulundu. Anlaşıldığı üzere, RiBP karboksilaz için substrat sadece karbondioksit değil aynı zamanda oksijen de olabilir:

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

Enzime RiBP-oksijenaz denir. Oksijen kompetitif bir karbondioksit fiksasyon inhibitörüdür. Fosfat grubu bölünür ve fosfoglikolat, bitki tarafından kullanılması gereken glikolat haline gelir. Glisine oksitlendiği peroksizomlara girer. Glisin, serine oksitlendiği mitokondriye girer, halihazırda sabitlenmiş karbon ise CO 2 formunda kaybolur. Sonuç olarak, iki glikolat molekülü (2C + 2C), bir FHA (3C) ve C02'ye dönüştürülür. Fotorespirasyon, C3 bitkilerinin veriminde% 30-40 oranında bir azalmaya neden olur ( C 3 - bitkiler - C3 fotosentez ile karakterize edilen bitkiler).

C 4 fotosentez - ilk ürünün dört karbonlu (C4) bileşikler olduğu fotosentez. 1965 yılında bazı bitkilerde (şeker kamışı, mısır, sorgum, darı) fotosentezin ilk ürünlerinin dört karbonlu asit olduğu tespit edildi. Bu tür bitkiler adlandırıldı 4 bitki ile... 1966'da Avustralyalı bilim adamları Hatch ve Slack, C 4 bitkilerinin neredeyse hiç fotorespirasyona sahip olmadığını ve karbondioksiti emmede çok daha verimli olduklarını gösterdi. C4 bitkilerindeki karbon dönüşümünün yolu denilmeye başlandı hatch-Slack tarafından.

C 4 bitkileri için yaprağın özel anatomik yapısı karakteristiktir. Tüm vasküler demetler çift hücre katmanıyla çevrilidir: dış kısım mezofil hücrelerdir, iç kısım ise kılıf hücreleridir. Karbondioksit, mezofil hücrelerinin sitoplazmasında sabitlenir, alıcı fosfoenolpiruvat (FEP, 3C), PEP'in karboksilasyonu sonucunda oksaloasetat (4C) oluşur. Süreç katalize edildi PEP-karboksilaz... RuBP karboksilazın aksine, PEP karboksilaz C02 için yüksek bir afiniteye sahiptir ve en önemlisi O2 ile etkileşime girmez. Mezofilin kloroplastlarında, hafif fazın reaksiyonlarının aktif olduğu birçok tane vardır. Kılıf hücrelerinin kloroplastlarında karanlık fazın reaksiyonları gerçekleşir.

Oksaloasetat (4C), plasmodesmata yoluyla kılıf hücrelerine taşınan malata dönüştürülür. Burada dekarboksilatlanır ve piruvat, C02 ve NADPH2 oluşturmak için dehidre edilir.

Piruvat, mezofil hücrelerine geri döner ve PEP'deki ATP enerjisi pahasına yeniden oluşturulur. C02, FHA oluşumu ile tekrar RiBP karboksilaz tarafından sabitlenir. PEP'in yenilenmesi ATP enerjisi gerektirir; bu nedenle, C3 fotosentezinde neredeyse iki kat daha fazla enerjiye ihtiyaç vardır.

Fotosentezin önemi

Fotosentez sayesinde her yıl atmosferden milyarlarca ton karbondioksit emilir, milyarlarca ton oksijen salınır; fotosentez, organik madde oluşumunun ana kaynağıdır. Oksijen, canlı organizmaları kısa dalga ultraviyole radyasyonundan koruyan ozon tabakasını oluşturur.

Fotosentez sırasında yeşil bir yaprak, üzerine düşen güneş enerjisinin yalnızca% 1'ini kullanır, verimlilik saatte 1 m2 yüzey başına yaklaşık 1 g organik maddedir.

Kemosentez

Organik bileşiklerin karbondioksit ve sudan sentezlenmesine, ışığın enerjisi nedeniyle değil, inorganik maddelerin oksidasyon enerjisi nedeniyle gerçekleştirilen sentez denir. kemosentez... Kemosentetik organizmalar, bazı bakteri türlerini içerir.

Nitrifikasyon bakterileri amonyak, nitroya ve ardından nitrik aside oksitlenir (NH3 → HNO 2 → HNO 3).

Demir bakterileri demirli demiri okside dönüştürmek (Fe 2+ → Fe 3+).

Kükürt bakterileri hidrojen sülfiti sülfür veya sülfürik aside oksitleyin (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

İnorganik maddelerin oksidasyon reaksiyonlarının bir sonucu olarak, bakteriler tarafından yüksek enerjili ATP bağları şeklinde depolanan enerji açığa çıkar. ATP, fotosentezin karanlık fazının reaksiyonlarına benzer şekilde ilerleyen organik maddelerin sentezi için kullanılır.

Kemosentetik bakteriler, toprakta mineral maddelerin birikmesine katkıda bulunur, toprak verimliliğini artırır, atık su arıtmasını destekler, vb.

    Git 11 numaralı ders "Metabolizma kavramı. Protein biyosentezi "

    Git 13 numaralı ders "Ökaryotik hücrelerin bölünme yöntemleri: mitoz, mayoz, amitoz"