Sestavni deli fotosinteze

Vsebina

• Sestavni deli fotosinteze
• Povzetek fotosinteze
• Kako listi podpirajo fotosintezo
• Kloroplasti: Tovarne fotosinteze
• Zakaj so tilakoidi?
• Svetlobne reakcije: svetloba doseže tilakoidno membrano
• Svetlobne reakcije: transport elektronov
• Svetlobne reakcije: fotofosforilacija
• Temna reakcija: fiksacija ogljika

Rastline so človeštvu nedvomno najljubša živa bitja zunaj živalskega kraljestva. Razen sposobnosti rastlin za prehranjevanje svetovnih ljudi - brez sadja, zelenjave, oreščkov in zrn je malo verjetno, da bi vi ali ta članek obstajali - rastline častili zaradi svoje lepote in svoje vloge pri vseh človeških slovesnostih. Da jim to uspe, ne da bi se gibali ali jedli, je res izjemno.

Rastline pravzaprav uporabljajo iste osnovne molekule, ki jih počnejo vse življenjske oblike, da rastejo, preživijo in se razmnožujejo: majhen, šest-ogljikov, obročast ogljikov hidrat glukoza. Toda namesto da bi jedli vire tega sladkorja, ga namesto tega. Kako je to mogoče in glede na to, zakaj ljudje in druge živali preprosto počnejo isto in si prihranijo težave pri lovu, nabiranju, shranjevanju in uživanju hrane?

Odgovor je fotosinteza, niz kemičnih reakcij, v katerih rastlinske celice porabljajo energijo iz sončne svetlobe za proizvodnjo glukoze. Rastline nato porabijo nekaj glukoze za svoje potrebe, preostanek pa ostane na voljo drugim organizmom.

Sestavni deli fotosinteze

Učni študenti bi se lahko hitro vprašali: "Kakšen je izvor ogljika v molekuli sladkorja, ki ga rastlina proizvaja? Ne potrebujete znanstvene stopnje, da domnevate, da je "sončna energija" sestavljena iz svetlobe in da svetloba ne vsebuje nobenega izmed elementov, ki sestavljajo molekule, ki jih najpogosteje najdemo v živih sistemih. (Svetloba je sestavljena iz fotoni, ki so brezmasni delci, ki jih ne najdemo na periodični tabeli elementov.)

Najlažji način uvajanja različnih delov fotosinteze je začeti s kemijsko formulo, ki povzema celoten postopek.

6 H₂O + 6 CO₂ → C₆H₁₂O₆+ 6 O₂

Tako so surovine fotosinteze voda (H₂O) in ogljikov dioksid (CO)₂), ki ju je obilo na tleh in v ozračju, proizvodi pa so glukoza (C₆H₁₂O₆) in kisikovega plina (O₂).

Povzetek fotosinteze

Shematični povzetek postopka fotosinteze, katerega sestavni deli so podrobno opisani v naslednjih razdelkih, je naslednji. (Za zdaj ne skrbite za okrajšave, s katerimi morda niste seznanjeni.)

Prvi štirje koraki so znani kot reakcije na svetlobo ali od svetlobe odvisne reakcije, saj se pri svojem delovanju popolnoma zanašajo na sončno svetlobo. Calvin cikel se v nasprotju s tem imenuje temna reakcija, znane tudi kot reakcije, neodvisne od svetlobe. Čeprav že ime pove, temna reakcija lahko deluje brez vira svetlobe, vendar se zanašanje na produkte, ki nastanejo v reakcijah, odvisnih od svetlobe, nadaljuje.

Kako listi podpirajo fotosintezo

Če ste kdaj pogledali diagram prereza človeške kože (to je, kako bi bilo videti s strani, če bi jo lahko gledali vse od površine do nekega tkiva, ki ga koža srečuje pod), morda bi ugotovili, da koža vključuje različne plasti. Te plasti vsebujejo različne sestavine v različnih koncentracijah, kot so znojne žleze in lasni mešički.

Anatomija lista je urejena na podoben način, le da so listi obrnjeni na zunanji svet dva strani. Če se premikamo od vrha lista (ki velja za tistega, ki se najpogosteje sooča s svetlobo), na spodnjo stran, plasti vključujejo kutikula, voščen, tanek zaščitni plašč; the zgornja povrhnjica; the mezofil; the spodnja povrhnjica; in drugi sloj kutikule.

Mezofil sam vključuje zgornji del palisada plast, s celicami, razporejenimi v čedne stolpce, in nižje gobast plast, ki ima manj celic in večji razmik med njimi. Fotosinteza poteka v mezofilu, kar je smiselno, ker je najbolj površinska plast lista katere koli snovi in ​​je najbližja katerikoli svetlobi, ki zadene listje.

Kloroplasti: Tovarne fotosinteze

Organizmi, ki se morajo prehraniti iz organskih molekul v svojem okolju (torej iz snovi, ki jih ljudje imenujejo "hrana"), so znani kot heterotrofi. Rastline na drugi strani so avtotrofi ker te molekule gradijo v svojih celicah in nato uporabijo tisto, kar potrebujejo, preden se preostali del pripadajočega ogljika vrne v ekosistem, ko rastlina umre ali poje.

Fotosinteza se pojavi v organelah ("drobnih organih") v rastlinskih celicah imenovanih kloroplasti. Organele, ki so prisotne samo v evkariontskih celicah, so obdane z dvojno plazemsko membrano, ki je strukturno podobna tisti, ki obdaja celico kot celoto (običajno jo imenujemo celična membrana).

Funkcionalne enote fotosinteze so tilakoidi. Te strukture se pojavljajo tako v fotosintetskih prokariotih, kot so cianobakterije (modrozelene alge), in rastlinah. A ker imajo samo evkarionti vezane na membranske organele, tilakoidi v prokariotih sedijo v celični citoplazmi, tako kot DNK v teh organizmih zaradi pomanjkanja jedra v prokariotih.

Zakaj so tilakoidi?

Pri rastlinah je tilakoidna membrana dejansko neprekinjena z membrano samega kloroplasta. Tilakoidi so torej kot organeli znotraj organelov. Ti so razporejeni v okroglih kupih, kot krožniki za večerjo v omari - votli krožniki za večerjo, to je. Ti stakovi se imenujejo grana, in notranjost tilakoidov je povezana v labirintno mrežo cevi. Prostor med tilakoidi in notranjo membrano kloroplasta se imenuje stroma.

Thylakoidi vsebujejo pigment, imenovan klorofil, ki je odgovoren za zeleno barvo, ki jo večina rastlin razstavlja v določeni obliki. Pomembnejše od tega, da človeškemu očesu ponudimo sijajen videz, klorofil je tisto, kar v kloroplast "zajame" sončno svetlobo (ali v zvezi s tem umetno svetlobo) in snov, ki omogoča, da se fotosinteza najprej nadaljuje.

K fotosintezi dejansko prispeva več različnih pigmentov, pri čemer je primarni klorofil A. Poleg različic klorofila so številni drugi pigmenti v tilakoidih odzivni na svetlobo, vključno z rdečimi, rjavimi in modrimi vrstami. Te lahko prenašajo dohodno svetlobo na klorofil A ali pa pomagajo, da se celica ne poškoduje zaradi svetlobe, če služijo kot sorte dekojev.

Svetlobne reakcije: svetloba doseže tilakoidno membrano

Ko sončna svetloba ali svetlobna energija iz drugega vira doseže tilakoidno membrano po prehodu skozi kutikulo lista, rastlinsko celično steno, plasti celične membrane, dve plasti kloroplastne membrane in na koncu strome, naleti na par tesno povezani multi proteinski kompleksi, imenovani fotosistemi.

Kompleks, imenovan Photosystem I, se od tovariša Photosystem II razlikuje po tem, da se različno odziva na različne valovne dolžine svetlobe; poleg tega dva fotosistema vsebujeta nekoliko različne različice klorofila A. Fotosistem I vsebuje obliko, imenovano P700, medtem ko Photosystem II uporablja obliko, imenovano P680. Ti kompleksi vsebujejo kompleks za pobiranje svetlobe in reakcijski center. Ko svetloba doseže te, odstranjuje elektrone iz molekul v klorofilu in ti nadaljujejo v naslednjem koraku svetlobnih reakcij.

Spomnimo, da neto enačba za fotosintezo vključuje oba CO₂ in H₂O kot vhodi. Zaradi svoje majhnosti te molekule prosto prehajajo v celice rastline in so na voljo kot reaktanti.

Svetlobne reakcije: transport elektronov

Ko se elektroni sprostijo brez molekul klorofila pri dohodni svetlobi, jih je treba nekako nadomestiti. To poteka predvsem s cepitvijo H₂O v kisikov plin (O₂) in prostih elektronov. O₂ v tem okolju je odpadni proizvod (večini ljudi je morda težko predstavljati novo nastali kisik kot odpadni proizvod, vendar so takšni predlogi biokemije), medtem ko nekateri elektroni preidejo v klorofil v obliki vodika ( H).

Elektroni se "spustijo" v verigo molekul, vgrajenih v tilakoidno membrano, do končnega akceptorja elektronov, molekule, imenovane nikotinamid adenin dinukleotid fosfat (NADP⁺ ). Razumeti, da "dol" ne pomeni navpično navzdol, ampak navzdol v smislu postopno nižje energije. Ko elektroni dosežejo NADP⁺, te molekule se združujejo, da ustvarijo zmanjšano obliko nosilca elektronov, NADPH. Ta molekula je potrebna za poznejšo temno reakcijo.

Svetlobne reakcije: fotofosforilacija

Hkrati, ko se NADPH ustvarja v prej opisanem sistemu, se imenuje postopek fotofosforilacija uporablja energijo, osvobojeno iz drugih elektronov, ki se "zatikajo" v tilakoidni membrani. Proton-motivna sila se poveže anorganske molekule fosfataali P_jaz, na adenozin difosfat (ADP), da nastane adenozin trifosfat (ATP).

Ta postopek je analogen postopku v celičnem dihanju, znanem kot oksidativno fosforilacijo. Hkrati v tilakoidih nastaja ATP za proizvodnjo glukoze v temni reakciji, mitohondriji drugod v rastlinskih celicah uporabljajo produkte razgradnje neke te glukoze, da ATP pri celičnem dihanju za rastline dokončno presnovi potrebe.

Temna reakcija: fiksacija ogljika

Ko CO₂ vstopi v rastlinske celice, doživi vrsto reakcij, najprej pa se doda pet molekuli ogljika, da nastane šest-ogljikov intermediat, ki se hitro razcepi na dve tri-ogljikove molekule. Zakaj se ta šest-ogljikova molekula preprosto ne da neposredno v glukozo, prav tako šest-ogljikova molekula? Medtem ko nekatere od teh treh ogljikovih molekul izstopijo iz procesa in se dejansko uporabljajo za sintezo glukoze, so potrebne tri molekule tri ogljika, da se cikel nadaljuje, saj se pridružijo dohodnemu CO₂ da dobimo pet-ogljikovo spojino, navedeno zgoraj.

Dejstvo, da je energija iz svetlobe izkoriščena v fotosintezi, da poganja procese, neodvisne od svetlobe, je smiselno glede na to, da sonce vzhaja in zahaja, kar postavlja rastline v položaj, da morajo podnevi »odlagati« molekule, tako da lahko začnejo z ustvarjanjem njihova hrana, medtem ko je sonce pod obzorjem.

Za nomenklaturo, Calvin cikel, temna reakcija in fiksacija ogljika se nanašajo na isto stvar, ki ustvarja glukozo. Pomembno je vedeti, da brez enakomerne oskrbe s svetlobo fotosinteza ne bi mogla potekati. Rastline lahko uspevajo v okoljih, kjer je svetloba vedno prisotna, kot v prostoru, kjer luči nikoli ne zatemnejo. Toda obratno ni res: brez svetlobe je fotosinteza nemogoča.