Fotosynteza

Jak to się dzieje, że rośliny – drzewa, krzewy, rośliny zielne i wiele innych, wcale nie muszą polować ani pasożytować na innych organizmach, a mimo to żyją i mają się świetnie? Odpowiedzią jest oczywiście fotosynteza – który stawia rośliny w roli producentów, umożliwiając im odżywianie bez konieczności pobierania pokarmu ze środowiska. Dzięki temu są one pierwszymi ogniwami łańcucha pokarmowego i umożliwiają życie innym organizmom, dla których stanowią pożywienie.

Zobacz także zadania maturalne z tego tematu na YT:

Fotosynteza to proces, podczas którego dochodzi do przekształcenia energii świetlnej w energię chemiczną zawartą w cukrach i innych związkach organicznych, które powstają z prostych związków nieorganicznych. Mówiąc krótko: rośliny pobierają dwutlenek węgla i wodę, z których pod wpływem energii świetlnej tworzą swoje jedzenie – cukier, glukozę. Później, kiedy przyjdzie pora, wykorzystają ten cukier, żeby znowu przekształcić go w energię, którą wykorzystają do wzrostu, wytworzenia liści, nasion, owoców itp.

Fotosynteza to proces, podczas którego dochodzi do przekształcenia energii świetlnej w energię chemiczną zawartą w cukrach i innych związkach organicznych

Ryc. 1. Ostatecznie widzimy, że ta fotosynteza i oddychanie komórkowe sprowadza się  do tego, żeby energię świetlną przekształcić w taką formę energii, dzięki której roślina będzie mogła „zapłacić” za swoje procesy życiowe. Tą uniwersalną walutą jest ATP zawierające wiązania wysokoenergetyczne

W uproszczeniu fotosyntezę często przedstawia się w postaci reakcji:

Oczywiście, jak to we wszystkich uproszczeniach bywa, to również niesie – delikatnie mówiąc – sporą dawkę zakłamania. Zacznijmy od tego, że powyższe równanie ukazuje fotosyntezę jako prosty jednoetapowy proces, to w rzeczywistości jest ona znacznie bardziej skomplikowana.

Wyróżniamy dwie fazy fotosyntezy:

1. Faza jasna – faza zależna od światła
2. Faza ciemna – Cykl Calvina – Bensona

Dzisiaj skupimy się na fazie jasnej fotosyntezy. W fazie jasnej przygotowujemy się do stworzenia upragnionej glukozy a do tego potrzebujemy tzw. siły asymilacyjnej – ATP i NADPH, którzy niczym wykwalifikowani pracownicy będą w stanie wyprodukować nasz cukier.

Faza jasna zachodzi w tylakoidach, czyli błoniastych strukturach wewnątrz chloroplastów. Tylakoidy ułożone są tam w tzw. grana i wyglądają niczym stos naleśników pancakes (mniam!). W błonie tylakoidów są umieszczone fotosystemy (fotoukłady), działające podobnie do paneli słonecznych, które montujemy na naszych dachach. Ich zadaniem jest absorpcja (pochłonięcie) światła i przekazanie tej energii na elektron. Z kolei elektron, kiedy dostanie odpowiednią porcję energii zostaje wzbudzony, wybity i wyrzucony poza fotoukład.

Ryc. 2. Droga elektronu w czasie fosforylacji niecyklicznej.

Ryc. 3. Budowa chloroplastu i widoczne tylakoidy gran.

Jak widzimy na ryc. 3, wszystko zaczyna się od fotosystemu II, skąd światło wybija elektron i nadaje mu energię. Potem zaczyna się „molekularna sztafeta”: elektron z fotosystemu II zostaje przechwycony przez pierwotny akceptor elektronów, dalej łańcuch transportu elektronów i fotosystem I.

Z fotoukładu I po raz kolejny jest wybijany pod wpływem światła, skąd idzie na pierwotny akceptor elektronów, potem na ferredoksynę i wreszcie na NADP+, gdzie dzięki enzymowi reduktazie NADP+ może nareszcie powstać pierwsza część naszej siły asymilacyjnej – NADPH. Ufff…cóż za sprint!

Ale zaraz! Co zrobić z dziurą po elektronie w fotoukładzie II? Skąd mamy wziąć kolejny elektron do zapoczątkowania kolejnej sztafety?

Tutaj na scenę wkracza woda. To ona jest rozkładana do protonów, tlenu i elektronu, który zapełni powstałą lukę w fotosystemie. I tak właśnie, to tutaj powstaje ten sam tlen którego wszyscy potrzebujemy. Jeśli przyjrzycie się uważnie, to okaże się, że jest on tylko jest produktem ubocznym fotosyntezy!

No, jesteśmy już w połowie drogi. NADPH już mamy, teraz jeszcze tylko ATP.

Na szczęście dla nas produkcja ATP na początku korzysta z tego samego mechanizmu co produkcja NADPH (mniej do zapamiętania!).

Elektron w czasie powyższej sztafety na białkach łańcucha traci trochę energii. Ta energia została przez te białka wykorzystana do przepompowania protonów (H+) ze stromy chloroplastu do wnętrza tylakoidu. I tak jak w balonie – powietrze wewnątrz wytwarza ciśnienie tym większe, im więcej go będzie wewnątrz.
Podobnie z protonami, tylko, że wytwarza się tam tzw. gradient protonowy, oznaczający, że znacznie więcej protonów jest wewnątrz tylakoidu niż na zewnątrz.

Ta siła, ten gradient, sprawia, że protony bardzo chcą uciec z tylakoidu (gdzie ich jest za dużo) do stromy chloroplastu (gdzie jest ich mniej). Umożliwi im to pewne białko, syntaza ATP, działająca podobnie jak młyn wodny, która w zamian za przepuszczenie H+ z powrotem wykorzystuje to „ciśnienie” do stworzenia ATP.

Ryc. 2. Podsumowanie reakcji zależnych od światła podczas fotosyntezy.

Nareszcie! Mamy już siłę asymilacyjną ATP i NADPH, gotowe do tego, żeby w kolejnych reakcjach stworzyć upragnioną glukozę.

Ale o tym, jak to się dzieje, gdzie, kiedy i dlaczego dowiecie się w kolejnym odcinku, który pojawi się już wkrótce na naszym blogu!

DLA BARDZIEJ ZAAWANSOWANYCH: Fosforylacja niecykliczna

Wyobraźcie sobie fabrykę dżemów i soków owocowych. Owoce, które tam przychodzą są wyciskane, ich soki przelewane do butelek a pozostałości owoców wędrują dalej, gdzie są pakowane do słoików i tak powstaje dżem. Wszystko idzie świetnie, dopóki dostawcy nie nawalają z zamówieniami i wszystko przychodzi na czas. Co jednak, jeśli dostawca naszych słoików do dżemów pomylił się z zamówieniem i nie dostarczył pustych słoików? Albo nagle, z dnia na dzień ludzie przestali kupować dżemy? I co gorsza, chcą tylko soków w butelkach? Produkcja nie może całkiem stanąć, bo potrzebujemy soków, no i coś musimy zrobić z tymi owocami które cały czas nadjeżdżają ciężarówkami. Wtedy trzeba szybko coś wymyślić, żeby uniknąć katastrofy. Można na przykład sprawić, żeby owoce były wyciskane na sok nie raz, ale wiele razy i dopiero takie resztki możemy wyrzucić, skoro i tak nie możemy włożyć ich do słoików.

Naszą fabryką jest tylakoid, owoce to elektrony, produkowane soki to obraz ATP, a dżemy są niczym innym jak NADPH. Kiedy z jakiegoś powodu (np. zahamowania fazy ciemnej) zacznie brakować w tylakoidach NAD+, braknie tym samym akceptora naszego elektronu, który już został wzbudzony na PS I i trzeba coś z nim zrobić. Wtedy rozpoczyna się w tylakoidach tzw. transport cykliczny.

Polega on na tym, że elektron z tak dużą energią po wzbudzeniu kwantami światła, nie może ot tak po prostu poczekać aż zwolni się jakiś słoik NAD+. Dlatego ferredoksyna, zamiast przenieść elektron na reduktazę NAD+, „cofa” go do przed PS I, na łańcuch transportu elektronów, gdzie może wyhamować, utracić część swojej energii. Wtedy znów może być przyjęty przez PS I, wybity i tak w kółko. Oczywiście energia oddana przez elektron, podobnie jak przypadku transportu zwykłego, niecyklicznego, jest wykorzystywana do utworzenia gradientu protonów i wytworzenia ATP. Wyjątkiem jest, że w transporcie cyklicznym, nie powstaje NADPH (brak pustych słoików NAD+) oraz nie powstaje tlen (bo nie uruchamiamy PS II).

Wszystkie te procesy bardzo dobrze przedstawia to ryc. 5., która pokazuje tą syzyfową pracę elektronów w transporcie cyklicznym.

Ryc. 5. Obieg cykliczny elektronów na skutek zbyt dużej podaży NADH w stosunku do ATP.

Źródła:

https://sicascienceclass.wordpress.com/category/microscopy/
Khan Academy, https://pl.khanacademy.org/science/biology/photosynthesis-in-plants/the-light-dependent-reactions-of-photosynthesis/a/light-dependent-reactions?modal=1
https://pl.khanacademy.org/science/biology/photosynthesis-in-plants/the-light-dependent-reactions-of-photosynthesis/a/light-dependent-reactions?modal=1