Składniki fotosyntezy

Zawartość

• Składniki fotosyntezy
• Podsumowanie fotosyntezy
• Jak liście wspierają fotosyntezę
• Chloroplasty: fabryki fotosyntezy
• Po co są tylakoidy?
• Reakcje na światło: Światło dociera do błony tylakoidowej
• Reakcje świetlne: transport elektronów
• Reakcje na światło: fotofosforylacja
• The Dark Reaction: Carbon Fation

Rośliny są bez wątpienia ulubionymi istotami ludzkimi spoza królestwa zwierząt. Oprócz zdolności roślin do karmienia ludzi na świecie - bez owoców, warzyw, orzechów i zbóż, jest mało prawdopodobne, że ty lub ten artykuł istniałbyś - rośliny są szanowane za ich piękno i swoją rolę w całej ludzkiej ceremonii. To, że potrafią to zrobić bez możliwości poruszania się i jedzenia, jest naprawdę niezwykłe.

W rzeczywistości rośliny wykorzystują tę samą podstawową cząsteczkę, co wszystkie formy życia, aby rosnąć, przetrwać i rozmnażać się: mały, sześciowęglowy węglowodan w kształcie pierścienia glukoza. Ale zamiast jeść źródła tego cukru, robią to. Jak to możliwe i biorąc pod uwagę, dlaczego ludzie i inne zwierzęta po prostu nie robią tego samego i nie oszczędzają sobie trudu poszukiwania, gromadzenia, przechowywania i konsumpcji żywności?

Odpowiedź to fotosynteza, seria reakcji chemicznych, w których komórki roślinne wykorzystują energię ze światła słonecznego do wytwarzania glukozy. Następnie rośliny wykorzystują część glukozy na własne potrzeby, podczas gdy reszta pozostaje dostępna dla innych organizmów.

Składniki fotosyntezy

Sprytni uczniowie mogą szybko zapytać: „Podczas fotosyntezy w roślinach, jakie jest źródło węgla w cząsteczce cukru, którą wytwarza roślina?” Nie potrzebujesz stopnia naukowego, aby przypuszczać, że „energia ze słońca” składa się ze światła i że światło nie zawiera żadnego z elementów tworzących cząsteczki najczęściej spotykane w żywych układach. (Światło składa się z fotony, które są cząsteczkami bez masy, których nie można znaleźć w układzie okresowym pierwiastków).

Najłatwiejszym sposobem wprowadzenia różnych części fotosyntezy jest rozpoczęcie od wzoru chemicznego, który podsumowuje cały proces.

6 godz₂O + 6 CO₂ → do₆H.₁₂O₆+ 6 O₂

Zatem surowcami do fotosyntezy są woda (H₂O) i dwutlenek węgla (CO₂), z których oba są obfite w ziemi i w atmosferze, podczas gdy produkty są glukozą (C₆H.₁₂O₆) i gazowy tlen (O₂).

Podsumowanie fotosyntezy

Schematyczne podsumowanie procesu fotosyntezy, którego składniki opisano szczegółowo w kolejnych rozdziałach, jest następujące. (Na razie nie martw się o skróty, z którymi możesz się nie zaznajomić).

Pierwsze cztery z tych kroków nazywane są reakcjami świetlnymi lub reakcjami zależnymi od światła, ponieważ ich działanie opiera się całkowicie na świetle słonecznym. Natomiast cykl Calvina nazywa się ciemna reakcja, znany również jako reakcje niezależne od światła. Chociaż, jak sama nazwa wskazuje, ciemna reakcja może działać bez źródła światła, kontynuacja opiera się na produktach powstałych w reakcjach zależnych od światła.

Jak liście wspierają fotosyntezę

Jeśli kiedykolwiek spojrzałeś na schemat przekroju ludzkiej skóry (to znaczy, jak by to wyglądało z boku, gdybyś mógł spojrzeć na nią z całej powierzchni na jakąkolwiek tkankę pod skórą), możesz mógł zauważyć, że skóra zawiera wyraźne warstwy. Warstwy te zawierają różne składniki w różnych stężeniach, takie jak gruczoły potowe i mieszki włosowe.

Anatomia liścia jest ułożona w podobny sposób, z tym wyjątkiem, że liście skierowane są na świat zewnętrzny dwa boki. Przechodząc od górnej części liścia (uważanej za najczęściej skierowaną w stronę światła) na spód, warstwy zawierają naskórek, woskowy, cienki płaszcz ochronny; górny naskórek; mezofil; dolny naskórek; i drugą warstwę naskórka.

Sam mezofil zawiera cholewkę palisada warstwa z komórkami ułożonymi w czyste kolumny i niższą gąbczasty warstwa, która ma mniej komórek i większy odstęp między nimi. Fotosynteza zachodzi w mezofilu, co ma sens, ponieważ jest najbardziej powierzchowną warstwą liścia jakiejkolwiek substancji i znajduje się najbliżej światła padającego na powierzchnię liści.

Chloroplasty: fabryki fotosyntezy

Organizmy, które muszą czerpać pokarm z cząsteczek organicznych w swoim środowisku (to znaczy z substancji zwanych przez ludzi „żywnością”) są znane jako heterotrofy. Z drugiej strony są to rośliny autotrofy w tym, że budują te cząsteczki w swoich komórkach, a następnie wykorzystują to, czego potrzebują, zanim reszta powiązanego węgla powróci do ekosystemu, gdy roślina umrze lub zostanie zjedzona.

Fotosynteza zachodzi w organellach („maleńkich narządach”) w tzw. Komórkach roślinnych chloroplasty. Organelle, które są obecne tylko w komórkach eukariotycznych, są otoczone podwójną błoną plazmatyczną, która jest strukturalnie podobna do otaczającej komórkę jako całość (zwykle zwaną po prostu błoną komórkową).

Jednostkami funkcjonalnymi fotosyntezy są tylakoidy. Struktury te występują zarówno u prokariotów fotosyntetycznych, jak sinice (sinice) i rośliny. Ponieważ jednak tylko eukarioty posiadają organelle związane z błoną, tylakoidy u prokariotów siedzą swobodnie w cytoplazmie komórkowej, podobnie jak DNA w tych organizmach z powodu braku jądra u prokariotów.

Po co są tylakoidy?

W roślinach błona tylakoidowa jest w rzeczywistości ciągła z błoną samego chloroplastu. Tylakoidy są zatem jak organelle w organellach. Są ułożone w okrągłe stosy, takie jak talerze obiadowe w szafce - czyli puste talerze obiadowe. Te stosy są nazywane grana, a wnętrza tylakoidów są połączone w labiryntową sieć rurek. Przestrzeń między tylakoidami a wewnętrzną membraną chloroplastową nazywa się zręby.

Tylakoidy zawierają pigment o nazwie chlorofil, który odpowiada za kolor zielony, większość roślin wykazuje się w jakiejś formie. Jednak ważniejsze niż zaoferowanie ludzkiemu oku błyszczącego wyglądu, chlorofil jest tym, co „wychwytuje” światło słoneczne (lub, w tym przypadku, sztuczne światło) w chloroplastie, a zatem substancją, która umożliwia przede wszystkim przebieg fotosyntezy.

W rzeczywistości istnieje kilka różnych pigmentów przyczyniających się do fotosyntezy, z których najważniejszym jest chlorofil A. Oprócz wariantów chlorofilowych liczne inne pigmenty w tylakoidach reagują na światło, w tym na typy czerwone, brązowe i niebieskie. Mogą one przekazywać przychodzące światło do chlorofilu A lub mogą pomóc chronić komórkę przed uszkodzeniem przez światło, służąc jako swego rodzaju wabiki.

Reakcje na światło: Światło dociera do błony tylakoidowej

Kiedy światło słoneczne lub energia światła z innego źródła docierają do błony tylakoidowej po przejściu przez naskórek liścia, ścianę komórki roślinnej, warstwy błony komórkowej, dwie warstwy błony chloroplastowej i wreszcie zręb, napotyka parę ściśle powiązane kompleksy wielobiałkowe o nazwie systemy fotograficzne.

Kompleks o nazwie Photosystem I różni się od swojego towarzysza Photosystem II tym, że reaguje inaczej na różne długości fal światła; ponadto dwa fotosystemy zawierają nieco odmienne wersje chlorofilu A. Photosystem I zawiera formularz o nazwie P700, podczas gdy Photosystem II używa formularza o nazwie P680. Kompleksy te zawierają kompleks zbierający światło i centrum reakcji. Kiedy światło dociera do nich, usuwa elektrony z cząsteczek w chlorofilu i przechodzą one do następnego etapu reakcji świetlnych.

Przypomnijmy, że równanie netto dla fotosyntezy obejmuje oba CO₂ i H₂O jako dane wejściowe. Cząsteczki te ze względu na swój niewielki rozmiar swobodnie przechodzą do komórek rośliny i są dostępne jako reagenty.

Reakcje świetlne: transport elektronów

Kiedy elektrony są usuwane z cząsteczek chlorofilu przez przychodzące światło, należy je jakoś wymienić. Odbywa się to głównie przez podział H₂O w gazowy tlen (O₂) i wolne elektrony. The O₂ w tym otoczeniu jest produktem odpadowym (być może dla większości ludzi trudno jest wyobrazić sobie nowo powstały tlen jako produkt odpadowy, ale takie są wady biochemii), podczas gdy niektóre elektrony przedostają się do chlorofilu w postaci wodoru ( H).

Elektrony „schodzą” z łańcucha cząsteczek osadzonych w błonie tylakoidowej w kierunku końcowego akceptora elektronów, cząsteczki znanej jako fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (NADP⁺ ). Zrozum, że „dół” nie oznacza pionowo w dół, ale w dół w sensie stopniowo obniżanej energii. Kiedy elektrony osiągną NADP⁺, cząsteczki te łączą się, tworząc zredukowaną formę nośnika elektronów, NADPH. Ta cząsteczka jest niezbędna do późniejszej ciemnej reakcji.

Reakcje na światło: fotofosforylacja

W tym samym czasie, gdy NADPH jest generowany w opisanym wcześniej systemie, proces o nazwie fotofosforylacja wykorzystuje energię uwolnioną od innych elektronów „upadających” w błonie tylakoidowej. Siła proton-motyw łączy się nieorganiczne cząsteczki fosforanulub P_ja, do difosforanu adenozyny (ADP) z wytworzeniem trifosforanu adenozyny (ATP).

Proces ten jest analogiczny do procesu oddychania komórkowego znanego jako fosforylacja oksydacyjna. W tym samym czasie ATP jest wytwarzany w tylakoidach w celu wytwarzania glukozy w ciemnej reakcji, mitochondria gdzie indziej w komórkach roślinnych wykorzystują produkty rozpadu części tej glukozy do wytworzenia ATP w oddychaniu komórkowym dla ostatecznego metabolizmu roślin wymagania.

The Dark Reaction: Carbon Fation

Kiedy CO₂ wchodzi do komórek roślinnych, przechodzi szereg reakcji, najpierw dodawany do cząsteczki pięciowęglowej, aby utworzyć sześciowęglowy związek pośredni, który szybko dzieli się na dwie trójwęglowe cząsteczki. Dlaczego ta sześciowęglowa cząsteczka nie jest po prostu przekształcana bezpośrednio w glukozę, również cząsteczkę sześciowęglową? Podczas gdy niektóre z tych trójwęglowych cząsteczek wychodzą z procesu i faktycznie są wykorzystywane do syntezy glukozy, inne trójwęglowe cząsteczki są potrzebne do utrzymania cyklu, ponieważ są one połączone z nadchodzącym CO₂ aby uczynić związek pięciowęglowy wymienionym powyżej.

Fakt, że energia ze światła jest wykorzystywana w procesie fotosyntezy do napędzania procesów niezależnych od światła, ma sens, biorąc pod uwagę fakt, że słońce wschodzi i zachodzi, co stawia rośliny w pozycji „gromadzenia” cząsteczek w ciągu dnia, aby mogły zacząć wytwarzać ich jedzenie, gdy słońce jest poniżej horyzontu.

Dla celów nomenklatury cykl Calvina, ciemna reakcja i wiązanie węgla odnoszą się do tego samego, czyli wytwarzania glukozy. Ważne jest, aby zdawać sobie sprawę, że bez stałego dopływu światła fotosynteza nie mogłaby wystąpić. Rośliny mogą się rozwijać w środowiskach, w których światło jest zawsze obecne, jak w pomieszczeniu, w którym światła nigdy nie są przyciemniane. Ale odwrotność nie jest prawdą: bez światła fotosynteza jest niemożliwa.