Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się, ile żywych organizmów jest na naszej planecie?! A przecież wszyscy muszą wdychać tlen, aby wytwarzać energię i wydychać dwutlenek węgla. To właśnie dwutlenek węgla jest główną przyczyną takiego zjawiska jak zaduch w pomieszczeniu. Ma to miejsce, gdy jest w nim dużo ludzi, a pomieszczenie nie jest wietrzone przez długi czas. Ponadto obiekty przemysłowe, prywatny samochód i transport publiczny wypełniają powietrze substancjami toksycznymi.
W związku z powyższym powstaje całkowicie logiczne pytanie: jak się wtedy nie udusiliśmy, skoro całe życie jest źródłem trującego dwutlenku węgla? Zbawicielem wszystkich żywych istot w tej sytuacji jest fotosynteza. Na czym polega ten proces i dlaczego jest konieczny?
Jego wynikiem jest wyrównanie bilansu dwutlenku węgla i nasycenie powietrza tlenem. Taki proces znany jest tylko przedstawicielom świata flory, czyli roślin, gdyż zachodzi tylko w ich komórkach.
Sama fotosynteza to niezwykle złożona procedura, zależna od pewnych warunków i występująca w kilkuetapy.
Definicja pojęcia
Zgodnie z definicją naukową substancje organiczne są przekształcane w substancje organiczne podczas fotosyntezy na poziomie komórkowym w organizmach autotroficznych pod wpływem ekspozycji na światło słoneczne.
Mówiąc prościej, fotosynteza to proces, w którym zachodzi:
- Roślina jest nasycona wilgocią. Źródłem wilgoci może być woda z ziemi lub wilgotne powietrze tropikalne.
- Chlorofil (specjalna substancja występująca w roślinach) reaguje na energię słoneczną.
- Kształtowanie pokarmu niezbędnego przedstawicielom flory, którego sami nie są w stanie zdobyć w heterotroficzny sposób, ale sami są jego producentem. Innymi słowy, rośliny jedzą to, co produkują. To wynik fotosyntezy.
Etap pierwszy
Praktycznie każda roślina zawiera zieloną substancję, dzięki której może pochłaniać światło. Ta substancja to nic innego jak chlorofil. Jego lokalizacja to chloroplasty. Ale chloroplasty znajdują się w części łodygowej rośliny i jej owocach. Ale fotosynteza liści jest szczególnie powszechna w przyrodzie. Ponieważ ta ostatnia jest dość prosta w swojej budowie i ma stosunkowo dużą powierzchnię, co oznacza, że ilość energii potrzebna do przebiegu procesu ratunkowego będzie znacznie większa.
Gdy światło jest pochłaniane przez chlorofil, ten jest w stanie podniecenia i jegoprzekazuje wiadomości energetyczne do innych cząsteczek organicznych rośliny. Największa ilość takiej energii trafia do uczestników procesu fotosyntezy.
Etap drugi
Tworzenie fotosyntezy na drugim etapie nie wymaga obowiązkowego udziału światła. Polega na tworzeniu wiązań chemicznych za pomocą trującego dwutlenku węgla powstającego z mas powietrza i wody. Istnieje również synteza wielu substancji, które zapewniają życiową aktywność przedstawicieli flory. Są to skrobia, glukoza.
W roślinach takie organiczne elementy pełnią funkcję źródła pożywienia dla poszczególnych części rośliny, zapewniając jednocześnie normalny przebieg procesów życiowych. Substancje takie pozyskują również przedstawiciele fauny jedzącej rośliny na pokarm. Organizm ludzki jest nasycony tymi substancjami poprzez żywność, która jest częścią codziennej diety.
Co? Gdzie? Kiedy?
Aby substancje organiczne stały się organiczne, konieczne jest zapewnienie odpowiednich warunków do fotosyntezy. Do rozważanego procesu potrzebne jest przede wszystkim światło. Mówimy o sztucznym i słonecznym. W naturze aktywność roślin zazwyczaj charakteryzuje się intensywnością wiosną i latem, czyli wtedy, gdy istnieje zapotrzebowanie na dużą ilość energii słonecznej. Czego nie można powiedzieć o sezonie jesiennym, kiedy światła jest coraz mniej, dzień robi się coraz krótszy. W rezultacie liście żółkną, a następnie całkowicie opadają. Ale gdy tylko zaświecą pierwsze wiosenne promienie słońca, podniosą się zielona trawa, natychmiast wznowią swoją działalność.chlorofilów i rozpocznie się aktywna produkcja tlenu i innych ważnych składników odżywczych.
Warunki fotosyntezy obejmują coś więcej niż tylko światło. Wilgoć również powinna być wystarczająca. W końcu roślina najpierw pochłania wilgoć, a potem zaczyna się reakcja z udziałem energii słonecznej. Pokarm roślinny jest wynikiem tego procesu.
Tylko w obecności zielonej materii zachodzi fotosynteza. Czym są chlorofile, powiedzieliśmy już powyżej. Pełnią rolę swego rodzaju przewodnika między światłem lub energią słoneczną a samą rośliną, zapewniając prawidłowy przebieg ich życia i działania. Zielone substancje mają zdolność pochłaniania wielu promieni słonecznych.
Tlen również odgrywa ważną rolę. Aby proces fotosyntezy przebiegł pomyślnie, rośliny potrzebują go dużo, gdyż zawiera tylko 0,03% kwasu węglowego. Tak więc z 20 000 m3 powietrza można uzyskać 6 m3 kwasu. To właśnie ta ostatnia substancja jest głównym źródłem glukozy, która z kolei jest substancją niezbędną do życia.
Istnieją dwa etapy fotosyntezy. Pierwsza nazywa się światłem, druga jest ciemna.
Jaki jest mechanizm przepływu światła na scenie
Jasna faza fotosyntezy ma inną nazwę - fotochemiczna. Głównymi uczestnikami na tym etapie są:
- energia słoneczna;
- różnorodność pigmentów.
W przypadku pierwszego komponentu wszystko jest jasne, to światło słoneczne. ALEtakie są pigmenty, nie każdy wie. Są zielone, żółte, czerwone lub niebieskie. Chlorofile z grup „A” i „B” należą odpowiednio do zieleni, fikobiliny do żółtej i czerwonej/niebieskiej. Aktywność fotochemiczną wśród uczestników tego etapu procesu wykazują jedynie chlorofile „A”. Pozostałe pełnią rolę komplementarną, której istotą jest zbieranie kwantów światła i ich transport do centrum fotochemicznego.
Ponieważ chlorofil posiada zdolność efektywnego pochłaniania energii słonecznej przy określonej długości fali, zidentyfikowano następujące systemy fotochemiczne:
- Centrum fotochemiczne 1 (zielone substancje z grupy „A”) - pigment 700 zawarty w składzie, pochłaniający promienie świetlne, którego długość wynosi około 700 nm. Pigment ten odgrywa fundamentalną rolę w tworzeniu produktów lekkiej fazy fotosyntezy.
- Centrum fotochemiczne 2 (zielone substancje z grupy „B”) - w składzie znajduje się pigment 680, który pochłania promienie świetlne o długości 680 nm. Pełni drugorzędną rolę, polegającą na uzupełnianiu utraconych elektronów przez centrum fotochemiczne 1. Uzyskuje się to dzięki hydrolizie cieczy.
Dla 350–400 cząsteczek pigmentu, które skupiają strumień światła w fotosystemach 1 i 2, istnieje tylko jedna cząsteczka pigmentu, która jest aktywna fotochemicznie - chlorofil z grupy „A”.
Co się dzieje?
1. Energia świetlna pochłonięta przez roślinę wpływa na zawarty w niej pigment 700, który przechodzi ze stanu normalnego do stanu wzbudzonego. Pigment tracielektron, w wyniku czego powstaje tzw. dziura elektronowa. Co więcej, cząsteczka pigmentu, która utraciła elektron, może działać jako jego akceptor, to znaczy strona, która przyjmuje elektron, i powraca do swojego kształtu.
2. Proces rozkładu cieczy w centrum fotochemicznym pigmentu absorbującego światło 680 fotosystemu 2. Podczas rozkładu wody powstają elektrony, które początkowo są akceptowane przez substancję np. cytochrom C550 i są oznaczone literą Q. Następnie, z cytochromu elektrony wchodzą do łańcucha nośnego i są transportowane do centrum fotochemicznego 1 w celu uzupełnienia dziury elektronowej, która była wynikiem penetracji kwantów światła i procesu redukcji pigmentu 700.
Są przypadki, kiedy taka cząsteczka odzyskuje elektron identyczny jak poprzedni. Spowoduje to uwolnienie energii świetlnej w postaci ciepła. Ale prawie zawsze elektron z ładunkiem ujemnym łączy się ze specjalnymi białkami żelazowo-siarkowymi i jest przenoszony wzdłuż jednego z łańcuchów do pigmentu 700 lub wchodzi do innego łańcucha nośnego i ponownie łączy się ze stałym akceptorem.
W pierwszym wariancie istnieje cykliczny transport elektronów typu zamkniętego, w drugim - niecykliczny.
Oba procesy są katalizowane przez ten sam łańcuch nośników elektronów w pierwszym etapie fotosyntezy. Należy jednak zauważyć, że podczas fotofosforylacji typu cyklicznego początkowym i jednocześnie końcowym punktem transportu jest chlorofil, podczas gdy transport niecykliczny implikuje przejście zielonej substancji z grupy „B” dochlorofil „A”.
Cechy transportu cyklicznego
Fosforylacja cykliczna jest również nazywana fotosyntetyczną. W wyniku tego procesu powstają cząsteczki ATP. Transport ten polega na powrocie elektronów w stanie wzbudzonym do pigmentu 700 przez kilka kolejnych etapów, w wyniku czego uwalniana jest energia, która bierze udział w pracy układu enzymów fosforylujących w celu dalszej akumulacji w fosforanie ATP wiązania. Oznacza to, że energia nie jest rozpraszana.
Fosforylacja cykliczna jest pierwotną reakcją fotosyntezy, która opiera się na technologii generowania energii chemicznej na powierzchniach błon tylaktoidów chloroplastowych za pomocą energii słonecznej.
Bez fosforylacji fotosyntetycznej reakcje asymilacji w ciemnej fazie fotosyntezy są niemożliwe.
Nuanse transportu typu niecyklicznego
Proces polega na przywróceniu NADP+ i utworzeniu NADPH. Mechanizm opiera się na przeniesieniu elektronu do ferredoksyny, reakcji jego redukcji, a następnie przejściu do NADP+ z dalszą redukcją do NADPH.
W rezultacie elektrony, które utraciły pigment 700, są uzupełniane dzięki elektronom wody, która rozkłada się pod wpływem promieni świetlnych w fotosystemie 2.
Niecykliczna ścieżka elektronów, której przepływ pociąga za sobą również fotosyntezę światła, odbywa się poprzez wzajemne oddziaływanie obu fotosystemów, łącząc ich łańcuchy transportu elektronów. Świetlnyenergia kieruje przepływ elektronów z powrotem. Podczas transportu z centrum fotochemicznego 1 do centrum 2 elektrony tracą część swojej energii z powodu akumulacji jako potencjału protonowego na powierzchni błony tylaktoidów.
W ciemnej fazie fotosyntezy proces tworzenia potencjału protonowego w łańcuchu transportu elektronów i jego wykorzystanie do tworzenia ATP w chloroplastach jest prawie całkowicie identyczny z tym samym procesem w mitochondriach. Ale funkcje są nadal obecne. Tylaktoidy w tej sytuacji to mitochondria wywrócone na lewą stronę. Jest to główny powód, dla którego elektrony i protony przemieszczają się przez błonę w kierunku przeciwnym do przepływu transportowego w błonie mitochondrialnej. Elektrony są transportowane na zewnątrz, podczas gdy protony gromadzą się we wnętrzu macierzy tylaktycznej. Ten ostatni przyjmuje tylko ładunek dodatni, a zewnętrzna błona tylaktoidu jest ujemna. Wynika z tego, że ścieżka gradientu protonowego jest przeciwna do jego ścieżki w mitochondriach.
Następną cechę można nazwać wysokim poziomem pH w potencjale protonów.
Trzecia cecha to obecność tylko dwóch miejsc sprzęgania w łańcuchu tylaktoidów, w wyniku czego stosunek cząsteczki ATP do protonów wynosi 1:3.
Wniosek
Na pierwszym etapie fotosynteza to interakcja energii świetlnej (sztucznej i niesztucznej) z rośliną. Zielone substancje reagują na promienie - chlorofile, których większość znajduje się w liściach.
W wyniku takiej reakcji powstaje ATP i NADPH. Produkty te są niezbędne do wystąpienia ciemnych reakcji. Dlatego etap jasny jest procesem obowiązkowym, bez którego drugi etap – etap ciemny – nie odbędzie się.
Ciemna scena: esencja i funkcje
Ciemna fotosynteza i jej reakcje to proces przemiany dwutlenku węgla w substancje pochodzenia organicznego z wytworzeniem węglowodanów. Realizacja takich reakcji zachodzi w zrębie chloroplastu, a produkty pierwszego etapu fotosyntezy - światło biorą w nich czynny udział.
Mechanizm ciemnej fazy fotosyntezy opiera się na procesie asymilacji dwutlenku węgla (zwanym również fotochemiczną karboksylacją, cyklem Calvina), który charakteryzuje się cyklicznością. Składa się z trzech faz:
- Karboksylacja - dodanie CO2.
- Faza regeneracji.
- Faza regeneracji difosforanu rybulozy.
Rybulofosforan, cukier o pięciu atomach węgla, jest fosforylowany przez ATP, w wyniku czego powstaje difosforan rybulozy, który jest dalej karboksylowany przez połączenie z produktem CO2 z sześcioma węglami, który natychmiast rozkładają się podczas interakcji z cząsteczką wody, tworząc dwie cząsteczki molekularne kwasu fosfoglicerynowego. Następnie kwas ten przechodzi przebieg całkowitej redukcji w realizacji reakcji enzymatycznej, do której wymagana jest obecność ATP i NADP, aby powstał cukier o trzech węglach - cukier trójwęglowy, trioza lub aldehydfosfoglicerol. Kiedy dwie takie triozy skondensują się, otrzymuje się cząsteczkę heksozy, która może stać się integralną częścią cząsteczki skrobi i zostać debugowana w rezerwie.
Ta faza kończy się absorpcją jednej cząsteczki CO podczas procesu fotosyntezy2 i użyciem trzech cząsteczek ATP i czterech atomów H. Fosforan heksozy nadaje się do reakcji cyklu pentozofosforanowego, w wyniku czego regenerowany jest fosforan rybulozy, który może rekombinować z inną cząsteczką kwasu węglowego.
Reakcji karboksylacji, odbudowy, regeneracji nie można nazwać specyficznymi wyłącznie dla komórki, w której zachodzi fotosynteza. Nie można też powiedzieć, czym jest „jednorodny” przebieg procesów, ponieważ różnica nadal istnieje - podczas procesu odzyskiwania stosuje się NADPH, a nie OVERH.
Dodanie CO2 przez difosforan rybulozy jest katalizowane przez karboksylazę difosforanu rybulozy. Produktem reakcji jest 3-fosfoglicerynian, który jest redukowany przez NADPH2 i ATP do gliceraldehydo-3-fosforanu. Proces redukcji jest katalizowany przez dehydrogenazę aldehydo-3-glicerynową. Ten ostatni jest łatwo przekształcany w fosforan dihydroksyacetonu. powstaje bisfosforan fruktozy. Część jego cząsteczek bierze udział w procesie regeneracji difosforanu rybulozy, zamykając cykl, a druga część służy do tworzenia rezerw węglowodanów w komórkach fotosyntezy, czyli zachodzi fotosynteza węglowodanów.
Energia światła jest niezbędna do fosforylacji i syntezy substancji organicznychpochodzenia, a energia utleniania substancji organicznych jest niezbędna do fosforylacji oksydacyjnej. Dlatego roślinność zapewnia życie zwierzętom i innym organizmom heterotroficznym.
W ten sposób zachodzi fotosynteza w komórce roślinnej. Jej produktem są węglowodany, niezbędne do tworzenia szkieletów węglowych wielu substancji przedstawicieli świata flory pochodzenia organicznego.
Substancje typu azotowo-organicznego są asymilowane w organizmach fotosyntetycznych dzięki redukcji azotanów nieorganicznych, a siarki - dzięki redukcji siarczanów do grup sulfhydrylowych aminokwasów. Zapewnia tworzenie białek, kwasów nukleinowych, lipidów, węglowodanów, kofaktorów czyli fotosyntezy. Podkreślano już, co jest „asortymentem” substancji niezbędnych roślinom, ale nie powiedziano ani słowa o produktach syntezy wtórnej, które są cennymi substancjami leczniczymi (flawonoidy, alkaloidy, terpeny, polifenole, steroidy, kwasy organiczne i inne).). Dlatego bez przesady możemy powiedzieć, że fotosynteza jest kluczem do życia roślin, zwierząt i ludzi.
