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

 

 

Udopstępnij:

Share on facebook
Facebook
Share on whatsapp
WhatsApp
Share on linkedin
LinkedIn

Cześć, dzięki, że do nas wpadłeś!

Jesteśmy Naukowców Dwóch, bo jesteśmy braćmi, których oprócz więzów krwi połączyła również pasja nauki i uczenia. Jakub (ten starszy) i skończył biotechnologię medyczną, a Filip (ten młodszy) kończy pisać doktorat z chemii organicznej. Chcielibyśmy, żeby ten blog tętnił życiem i był miejscem do którego będziesz często zaglądał, a my ze swojej strony postaramy się, żeby były tu tylko ciekawe i przydatne materiały do nauki chemii i biologii. Baw się dobrze!

Najnowsze wpisy