Jak przebiega fotosynteza?

fotosynteza

Jak przebiega fotosynteza?

Istota anabolicznego procesu fotosyntezy polega na przekształcaniu energii promienistej światła słonecznego w energię chemiczną wiązań zawartych w ATP (adenozynotrójfosforan) oraz zredukowanego fosforanu dwunukleotydu nikotynamido-adeninowego (NADPH).

Proces fotosyntezy składa się z dwóch podstawowych etapów: fazy jasnej i fazy ciemnej.

Wpływ różnych czynników na intensywność fotosyntezy

  • Intensywność światła

Światło na ogół stymuluje fotosyntezę,  jednakże zbyt duża jego ilość (jak wiadomo nadmiar zawsze szkodzi) powoduje rozkład chlorofilu i spadek tempa procesu. Rośliny wykształciły pewne mechanizmy obronne. Otóż chlorofil (zielony barwnik roślin) ma zdolność do poruszania się. I tak, gdy światło jest zbyt intensywne, chlorofil „ucieka” na boki komórki, a gdy natężenie promieniowania jest małe, „wystawia się” na działanie Słońca.

  • Dostępność wody

Woda, jako źródło protonów, jest niezbędna w procesie fotosyntezy. Najważniejszą jej rolą jest utrzymanie turgoru (ciśnienia, jakie cytoplazma wywiera na komórkę) i – oczywiście – zapobieganie więdnięciu. Jeżeli tempo parowania wody jest zbyt szybkie, to zamykają się aparaty szparkowe, tym samym zostaje odcięte źródło dwutlenku węgla (jednego z najważniejszych substratów procesu fotosyntezy).

  • Temperatura

Temperatura optymalna dla procesu to ok 20 – 30 stopni (w zależności od gatunku rośliny może przyjmować inny zakres). Powyżej 40 stopni Celsjusza następuje zahamowanie procesu (następuje denaturacja białka, czyli enzymów katalizujących proces).

  • Stężenie dwutlenku węgla

Wzrost stężenia tlenku węgla (IV) zwiększa wydajność fotosyntezy, szczególnie wtedy, gdy rośnie natężenie światła.

Przebieg fotosyntezy

Faza jasna z udziałem światła zachodzi w granach chloroplastów. W fazie tej energia słoneczna w postaci fotonów (kwantów) zostaje pochłonięta przez chlorofil, który przechodzi w stan wzbudzenia. Pochłonięte fotony wybijają elektrony z cząsteczki chlorofilu. Każdy wybity elektron niesie pewną porcję energii, którą stopniowo traci przechodząc do tak zwanych przenośników, czyli akceptorów elektronów. Najważniejsze przenośniki to plastochinon, cytochromy (b, f), plastocjanina, ferredoksyna, FAD, NADP. Elektrony, przechodząc przez kolejne przenośniki, tracą stopniowo energię, która jest enzymatycznie wiązana i magazynowana w ATP, a część rozprasza się w postaci ciepła. Energia ta (wiązana w ATP) powstaje w procesach fosforylacji cyklicznej i niecyklicznej.

Najważniejszym produktem fazy jasnej fotosyntezy jest prototyp siły asymilacyjnej (ATP + NADPH2), która zużywana jest w fazie ciemnej na etapie redukcji kwasu do aldehydu. Powstaje ona w procesie fosforylacji niecyklicznej: gdy wybite elektrony z PS I (fotosytem I) transportowane są na NADP (jeden z przenośników), a do wytworzonej „dziury” w cząsteczce chlorofilu wchodzą elektrony z innej cząsteczki chlorofilu (z PS II).

Fosforylacja cykliczna zachodzi wówczas, gdy wybite elektrony z PS I po przejściu przez szereg przenośników wracają z powrotem na PS I. Produktem tego typu fosforylacji jest tylko ATP. Zachodzi ona, gdy nastąpi zwarcie pomiędzy dwoma przenośnikami: ferredoksyną i plastochinonem. Sprzyja jej również silne oświetlenie i niskie stężenie dwutlenku węgla. Fosforylacja cykliczna nie prowadzi do wytworzenia siły asymilacyjnej niezbędnej do dalszego przebiegu procesu.

Uzyskiwanie elektronów zachodzi w procesie fotolizy wody. Należy pamiętać, że fotoliza nie jest rozpadem wody pod wpływem światła! Światło wykorzystywane jest tylko na etapie wybicia elektronu  Fotoliza wody polega na rozbiciu cząsteczki wody na protony wodoru, tlen i elektrony. Protony H+ przyłączane są przez NADP tworząc NADPH2, tlen oddawany jest do atmosfery, a elektrony uzupełniają „dziurę” powstałą po wybiciu elektronów. W wyniku fotolizy wody powstaje siła asymilacyjna. Chlorofil w tej fazie pełni rolę pompy ssąco-tłoczącej: zabiera elektrony z cząsteczki wody, przekazując je innym związkom. Siłę napędową stanowią tu fotony.

Faza ciemna – Cykl Calvina zachodzi w stromie chloroplastu (cytoplazma). Polega ona na redukcji dwutlenku węgla przy udziale siły asymilacyjnej i wytworzeniu asymilatów. Wbrew powszechnemu przekonaniu, faza ciemna nie zachodzi w nocy, ponieważ j niezbędna siła asymilacyjna powstała przy udziale światła, szybko ulega rozkładowi. Faza ciemna obejmuje trzy fazy: karboksylację, redukcję oraz regenerację.

Karboksylacja: polega na przyłączeniu dwutlenku węgla przez RuBP, w wyniku czego tworzy się związek sześciowęglowy (heksoza),  który rozpada się na dwie cząsteczki kwasu trójfosfoglicerynowego ( w skrócie – PGA).

Redukcja: polega na redukcji wytworzonego kwasy fosfoglicerynowego pod wpływem siły asymilacyjnej (ATP + NADPH2) do aldehydu fosfoglicerynowego (PGAL), który jest pierwotnym produktem fotosyntezy. Jest to cukier trójwęglowy (trioza).

Regeneracja: polega na odtworzeniu RuDP z aldehydu.

W procesie fotosyntezy powstaje aldehyd fosfoglicerynowy (pierwotny produkt fotosyntezy) i wtórne produkty: ketokwasy, aminokwasy, białka, heksozy (cukry sześciowęglowe), monosacharydy, polisacharydy (np. skrobia, celuloza), disacharydy (sacharoza), kwasy tłuszczowe, lipidy.

Znaczenie fotosyntezy

Fotosynteza jest podstawowym procesem warunkującym istnienie życia na Ziemi, dostarcza pokarm dla heterotrofów (organizmów cudzożywnych). Utrzymuje również równowagę gazową atmosfery poprzez zużywanie dwutlenku węgla i produkcję tlenu.