Процес фотосинтезе, организми, типови, фактори и функције



Тхе фотосинтеза То је биолошки процес у коме се сунчева светлост претвара у хемијску енергију и чува у органским молекулима. То је веза између соларне енергије и живота на Земљи.

Метаболички, биљке су класификоване као аутотрофне. То значи да они не морају да конзумирају храну да би преживели, јер су у стању да га сами генеришу кроз фотосинтезу. Све биљке, алге и чак и неке бактерије су фотосинтетски организми, које карактерише зелена боја ткива или структура.

Овај процес се одвија у органелама званим хлоропласти: мембрански субцелуларни одељци који садрже низ протеина и ензима који омогућавају развој комплексних реакција. Поред тога, то је физичко место где се чува хлорофил, неопходан пигмент за фотосинтезу.

Пут који угљеник узима за вријеме фотосинтезе, почевши од угљичног диоксида и завршава се молекулом шећера, познат је са дивним детаљима. Рута је историјски подељена на светлећу фазу и тамну фазу, просторно одвојену у хлоропласту.

Светлосна фаза се одвија у мембрани хлоропластног тилакоида и укључује руптуру молекула воде у кисеонику, протону и електронима. Ово се преноси кроз мембрану да би се створио резервоар енергије у облику АТП и НАДПХ, који се користе у следећој фази..

Тамна фаза фотосинтезе одвија се у строми хлоропласта. Састоји се од конверзије угљен-диоксида (ЦО2) у угљеним хидратима, помоћу ензима Цалвин-Бенсон циклуса.

Фотосинтеза је пресудан пут за све живе организме на планети, служећи као извор почетне енергије и кисеоника. Хипотетички, ако фотосинтеза престане да ради, догађај масовног изумирања свих "супериорних" живих бића би се догодио за само 25 година.

Индек

  • 1 Историјска перспектива
  • 2 Једначина фотосинтезе
    • 2.1 Општа једначина
    • 2.2 Светлећа и тамна фаза
    • 2.3 ΔГ ° реакција
  • 3 Где се то дешава??
  • 4 Процес (фазе)
    • 4.1 Светлосна фаза
    • 4.2 Укључени протеини
    • 4.3 Пхотосистемс
    • 4.4 Циклични ток електрона
    • 4.5 Остали пигменти
    • 4.6 Тамна фаза
    • 4.7 Цалвинов циклус
  • 5 Фотосинтетски организми
  • 6 Врсте фотосинтезе
    • 6.1 Кисик и аноксигена фотосинтеза
    • 6.2 Врсте Ц4 и ЦАМ метаболизма
    • 6.3 Метаболизам Ц4
    • 6.4 ЦАМ фотосинтезе
  • 7 Фактори укључени у фотосинтезу
  • 8 Функције
  • 9 Еволутион
    • 9.1 Прве фотосинтетске животне форме
    • 9.2 Улога кисеоника у еволуцији
  • 10 Референце

Хисторицал перспецтиве

Раније се сматрало да биљке добијају храну захваљујући хумусу присутном у земљишту, на начин аналоган исхрани животиња. Те мисли су дошле од древних филозофа као што су Емпедокл и Аристотел. Претпоставили су да се корени понашају као пупчане врпце или "уста" која су хранила биљку.

Ова визија се прогресивно мењала захваљујући напорном раду десетина истраживача између седамнаестог и деветнаестог века, који су открили основе фотосинтезе..

Запажања фотосинтетског процеса започела су пре око 200 година, када је Јосепх Приестлеи закључио да је фотосинтеза инверзни феномен ћелијског дисања. Овај истраживач је открио да све кисеоник присутан у атмосфери производи биљка, кроз фотосинтезу.

Након тога, почели су се појављивати чврсти докази о потреби да вода, угљен диоксид и сунчева светлост дођу до ефективног процеса.

Почетком 19. века први пут је изолован молекул хлорофила и могуће је разумети како фотосинтеза доводи до складиштења хемијске енергије..

Примена пионирских приступа, као што је стехиометрија гасне размене, успела је да идентификује скроб као производ фотосинтезе. Осим тога, фотосинтеза је била једна од првих тема у биологији која је проучавана употребом стабилних изотопа.

Једначина фотосинтезе

Генерал екуатион

Хемијски, фотосинтеза је редокс реакција у којој неке врсте оксидирају и ослобађају своје електроне у друге врсте које су смањене.

Општи процес фотосинтезе може се сумирати у следећој једначини: Х2О + светло + ЦО2 → ЦХ2О + О2. Где је израз ЦХ2ОР (једна шестина молекула глукозе) се односи на органска једињења која се називају шећери које ће биљка касније користити, као што су сахароза или скроб.

Светлећа и тамна фаза

Ова једначина се може поделити на две специфичне једначине за сваку фазу фотосинтезе: фаза светлости и тамна фаза.

Лака фаза је представљена као: 2Х2О + светло → О2 + 4Х+ + 4е-. Слично томе, тамна фаза укључује следећи однос: ЦО2 + 4Х+ + 4е- → ЦХ2О + Х2О.

ΔГ° реакција

Слободна енергија (ΔГ°) за ове реакције су: +479 кЈ · мол-1, +317 кЈ · мол-1 и +162 кЈ · мол-1, респективно. Као што је термодинамика сугерисала, позитивни знак ових вредности претвара се у енергетски захтев и зове се ендергонски процес.

Где фотосинтетски организам добија ову енергију тако да се реакције дешавају? Од сунца.

Потребно је напоменути да је, за разлику од фотосинтезе, аеробна респирација егзергонски процес - у овом случају вредност ΔГ ° је праћена негативним предзнаком - где се ослобођена енергија користи од стране организма. Дакле, једначина је: ЦХ2О + О2 → ЦО2 + Х2О.

Где се то дешава??

У већини биљака, главни орган на којем се процес одвија је на листу. У овим ткивима налазимо мале глобусне структуре, назване стомата које контролишу улазак и излаз гасова.

Ћелије које сачињавају зелено ткиво могу имати до 100 хлоропласта унутра. Ове преграде су структуиране са две спољашње мембране и воденом фазом која се зове строма где се налази трећи мембрански систем: тилакоид.

Процес (фазе)

Луминоус пхасе

Фотосинтеза почиње хватањем светлости најобилнијим пигментом на планети Земљи: хлорофилу. Апсорпција светлости доводи до ексцитације електрона до вишег енергетског стања - претварајући тако сунчеву енергију у потенцијалну хемијску енергију.

У тилакоидној мембрани, фотосинтетски пигменти су организовани у фотоцентре који садрже стотине пигментних молекула које делују као антена која апсорбује светлост и преноси енергију на молекул хлорофила, назван "реакциони центар"..

Реакциони центар се састоји од трансмембранских протеина повезаних са цитокромом. Преноси електроне у друге молекуле у ланцу транспорта електрона кроз низ мембранских протеина. Овај феномен је повезан са синтезом АТП и НАДПХ.

Укључени протеини

Протеини су организовани у разним комплексима. Два од њих су фотосистеми И и ИИ, одговорни за апсорпцију светлости и преношење у реакциони центар. Трећу групу чине цитокромски комплекс бф.

Енергију коју производи протонски градијент користи четврти комплекс, АТП синтаза, која повезује проток протона са синтезом АТП. Имајте на уму да је једна од најважнијих разлика у погледу дисања то што енергија не постаје само АТП, већ и НАДПХ.

Пхотосистемс

Пхотосистем И се састоји од молекула хлорофила са апсорпционим врхом од 700 нанометара, због чега се зове П \ т700. Слично томе, врх апсорпције фотосистема ИИ је 680, скраћено П680.

Задатак фотосистема И је производња НАДПХ, а фотосистема ИИ је синтеза АТП-а. Енергија коју користи фотосистем ИИ долази од пуцања молекула воде, ослобађања протона и стварања новог градијента кроз мембрану тилакоида..

Електрони изведени из руптуре преносе се у једињење растворљиво у мастима: пластокинон, који преноси електроне из фотосистема ИИ у цитокромски комплекс бф, генерисање додатних пумпања протона.

Из фотосистема ИИ, електрони прелазе на пластоцианин и пхотосистем И, који користи електронике високе енергије за смањење НАДП+ то НАДПХ. Електрони коначно стижу до ферродоксина и генеришу НАДПХ.

Циклични проток електрона

Постоји алтернативни пут где синтеза АТП-а не укључује НАДПХ синтезу, генерално за снабдевање енергијом у потребним метаболичким процесима. Стога, одлука о томе да ли се генерише АТП или НАДПХ зависи од тренутних потреба ћелије.

Овај феномен укључује синтезу АТП-а фотосистемом И. Електрони се не преносе у НАДП+, али до цитокромског комплекса бф, стварање градијента електрона.

Пластоцианин враћа електроне у фотосистем И, довршавајући транспортни циклус и пумпајући протоне у цитокромски комплекс бф.

Остали пигменти

Хлорофил није једини пигмент који биљке поседују, постоје и такозвани "додатни пигменти", укључујући каротеноиде.

У луминозној фази фотосинтезе јавља се производња елемената који су потенцијално штетни за ћелију, као што је "кисеоник у синглету". Каротеноиди су одговорни за спречавање формирања једињења или спречавање оштећења ткива.

Ови пигменти су они које посматрамо у јесен, када листови губе зелену боју и постану жути или наранџасти, јер биљке разграђују хлорофил да би добили азот.

Дарк пхасе

Циљ овог почетног процеса је да се користи енергија Сунца за производњу НАДПХ (никотинамид-аденин-динуклеотид-фосфат или "редукциона снага") и АТП (аденозин трифосфат, или "енергија валуте ћелије"). Ови елементи ће се користити у мрачној фази.

Пре описивања биохемијских корака који су укључени у ову фазу, потребно је појаснити да, иако је његово име "мрачна фаза", она се не појављује нужно у потпуном мраку. Историјски гледано, израз је покушао да се позове на независност светлости. Другим речима, фаза се може појавити у присуству или одсуству светлости.

Међутим, како фаза овиси о реакцијама које се одвијају у свјетлосној фази - која захтијева свјетло - то је исправно позивати се на ову серију корака као реакције угљика.

Цалвин циклус

У овој фази се одвија Цалвинов циклус или три угљенична пута, биохемијски пут који је 1940. године описао амерички истраживач Мелвин Цалвин. Откриће циклуса добило је Нобелову награду 1961. године.

Генерално, описане су три основне фазе циклуса: карбоксилација акцептора ЦО2, редукцију 3-фосфоглицерата и регенерацију ЦО акцептора2.

Циклус почиње с уграђивањем или "фиксирањем" угљичног диоксида. Смањите угљеник да бисте добили угљене хидрате, додавањем електрона и користити НАДПХ као редукциону снагу.

У сваком кругу циклуса је потребно уградити молекул угљен-диоксида, који реагује са рибулозним бифосфатом, стварајући два једињења од три угљеника која ће бити редукована и регенерисати молекул рибулозе. Три завоја циклуса резултирају молекулом глицералхид фосфата.

Стога, да би се произвео шећер од шест угљеника, као што је глукоза, неопходно је шест циклуса.

Фотосинтетски организми

Способност фотосинтезе организама се појављује у два домена, који се састоје од бактерија и еукариота. На основу ових доказа, појединци који разумију домен археје су лишени овог биохемијског пута.

Фотосинтетски организми појавили су се прије 3,2 до 3,5 милијарди година, као структурирани строматолити слични модерној цијанобактерији.

Логично, фотосинтетски организам се не може препознати као такав у фосилним записима. Међутим, може се извести закључак узимајући у обзир њихову морфологију или геолошки контекст.

У односу на бактерије, способност да се узме сунчева светлост и претвори у шећере изгледа да је широко распрострањена у неколико Пхила, иако изгледа да не постоји очигледан образац еволуције..

Најпримитивније фотосинтетске ћелије се налазе у бактеријама. Они имају бактериоклорофилни пигмент, а не познати хлорофил зелених биљака.

Фотосинтетске бактеријске групе укључују цијанобактерије, протобактерије, зелене бактерије сумпора, чврсте материје, филаментозне аноксичне фототрофе и ацидобактерије.

Што се тиче биљака, све оне имају способност да спроведу фотосинтезу. У ствари, то је најпрепознатљивија карактеристика ове групе.

Врсте фотосинтезе

Оксигенска и аноксигена фотосинтеза

Фотосинтеза се може класификовати на различите начине. Прва класификација узима у обзир да ли тело користи воду за редукцију угљен-диоксида. Дакле, имамо оксигенске фотосинтетске организме, који укључују биљке, алге и цијанобактерије.

Насупрот томе, када тело не користи воду, називају се аноксигеним фотосинтетским организмима. Ова група обухвата зелене и љубичасте бактерије, на пример родове Цхлоробиум и Цхроматиум, који користе сумпор или гасовити водоник за смањење угљен-диоксида.

Ове бактерије нису у стању да прибегну фотосинтези у присуству кисеоника, требају анаеробни медијум. Дакле, фотосинтеза не доводи до стварања кисеоника - отуда и назив "аноксигено".

Врсте метаболизма Ц4 и ЦАМ

Фотосинтеза се такође може класификовати према физиолошким адаптацијама биљака.

Редукција ЦО се јавља код фотосинтетских еукариота2 који долазе из атмосфере у угљене хидрате у Цалвиновом циклусу. Овај процес почиње са ензимом рубисцо (рибулоза-1,5-бисфосфат карбоксилаза / оксигеназа) и прво стабилно формирано једињење је 3-фосфоглицерична киселина, три угљеника.

У условима термичког напрезања, званог висока радијација или суша, рубисцо ензим не може разликовати О2 и ЦО2. Ова појава значајно смањује ефикасност фотосинтезе и назива се фотоспирација.

Из тих разлога постоје биљке са посебним фотосинтетским метаболизмом које им омогућавају да избегну поменуту неугодност.

Метаболизам Ц4

Метаболизам типа Ц4 Његов циљ је да концентрише угљен диоксид. Пре него што се почне са радњама, Ц биљке4 изведе прву карбоксилацију од стране ПЕПЦ.

Треба приметити да постоји просторна раздвојеност између две карбоксилације. Ц биљке4 Одликују их анатомија "кранз" или корона, формирана од стране мезофилних ћелија и фотосинтетски, за разлику од ових ћелија у нормалној фотосинтези или Ц3.

У овим ћелијама, прва карбоксилација се одвија путем ПЕПЦ, дајући као производ оксалоацетат, који је редукован на малат. Ово се шири на ћелију махуна, где се дешава процес декарбоксилације који генерише ЦО2. Угљен диоксид се користи у другој карбоксилацији коју усмерава рубисцо.

Фотосинтеза ЦАМ

ЦАМ фотосинтеза или киселински метаболизам црасулаца је адаптација биљака које живе у клими екстремне сухоће и типичне су за биљке као што су ананас, орхидеје, каранфили, између осталог.

Асимилација угљендиоксида у ЦАМ биљкама одвија се у ноћним сатима, јер ће губитак воде од отварања пучи бити мањи него у данима.

ЦО2 у комбинацији са ПЕП, реакцијом катализованом ПЕПЦ, формирајући јабучну киселину. Овај производ се складишти у вакуолама које ослобађају свој садржај у јутарњим сатима, затим се декарбоксилишу и ЦО2 успева да се придружи Цалвиновом циклусу.

Фактори укључени у фотосинтезу

Међу еколошким факторима који су укључени у ефикасност фотосинтезе истичу се: количина присутног ЦО2 и светлости, температуре, акумулације фотосинтетских производа, количине кисеоника и доступности воде.

Фактори биљке такође имају фундаменталну улогу, као што су старост и статус раста.

Концентрација ЦО2 у околини је низак (не прелази 0,03% волумена), па свака минимална варијација има значајне последице у фотосинтези. Осим тога, биљке су способне само за 70 или 80% присутног угљичног диоксида.

Ако не постоје ограничења из других поменутих варијабли, сматрамо да ће фотосинтеза зависити од количине ЦО2 доступан.

На исти начин, интензитет светлости је пресудан. У срединама са ниским интензитетом, процес дисања ће надмашити фотосинтезу. Због тога је фотосинтеза много активнија у сатима када је интензитет сунца висок, као што су први сати јутра.

Неке биљке могу бити погођене више од других. На пример, крмне траве нису веома осетљиве на температурни фактор.

Функције

Фотосинтеза је витални процес за све организме на планети Земљи. Овај начин је одговоран за подршку свим облицима живота, као извор кисеоника и основу свих постојећих трофичких ланаца, јер олакшава претварање соларне енергије у хемијску енергију.

Другим ријечима, фотосинтеза производи кисик који удишемо - као што је већ споменуто, тај елемент је нуспроизвод процеса - и храна коју свакодневно конзумирамо. Готово сви живи организми користе органска једињења која потичу од фотосинтезе као извор енергије.

Имајте на уму да су аеробни организми способни да извлаче енергију из органских једињења произведених фотосинтезом само у присуству кисеоника - који је такође производ процеса.

У ствари, фотосинтеза је способна да претвори погоршани број (200 милијарди тона) угљен диоксида у органска једињења. Што се тиче кисеоника, процењује се да је производња у распону од 140 милијарди тона.

Осим тога, фотосинтеза нам даје највећи део енергије (отприлике 87%) коју човечанство користи да би преживело, у облику фосилизованих фотосинтетских горива..

Еволутион

Први фотосинтетски облици живота

У свјетлу еволуције, фотосинтеза се чини врло старим процесом. Постоји велики број доказа који откривају порекло овог пута у близини појаве првих облика живота.

Што се тиче поријекла код еукариота, постоје огромни докази који предлажу ендосимбиозу као вероватније објашњење процеса.

Тако, организми који личе на цијанобактерије могу постати хлоропласти, захваљујући ендосимбиотичким односима са већим прокариотима. Стога се еволуционо порекло фотосинтезе рађа у бактеријском домену и може се дистрибуирати захваљујући масивним и понављајућим догађајима хоризонталног преноса гена..

Улога кисеоника у еволуцији

Нема сумње да је енергетска конверзија светлости кроз фотосинтезу обликовала садашње окружење планете Земље. Фотосинтеза, виђена као иновација, обогатила је атмосферу кисеоника и револуционирала енергетику животних облика.

Када је отпочело О2 по првим фотосинтетским организмима, вероватно се раствара у води океана, све док је не засити. Поред тога, кисеоник може реаговати са гвожђем, који се таложи у облику оксида гвожђа, који су тренутно непроцењив извор минерала..

Сувишни кисеоник се пробио у атмосферу, да би се коначно концентрисао тамо. Ово масовно повећање концентрације О2 Има важне последице: оштећење биолошких структура и ензима, осуђујући многе групе прокариота.

Насупрот томе, друге групе су представиле адаптације да живе у новој околини богатој кисеоником, обликованој фотосинтетским организмима, вероватно древним цијанобактеријама..

Референце

  1. Берг, Ј. М., Стриер, Л., & Тимоцзко, Ј.Л. (2007). Биоцхемистри. Преокренуо сам.
  2. Бланкенсхип, Р. Е. (2010). Рана еволуција фотосинтезе. Плант Пхисиологи, 154(2), 434-438.
  3. Цампбелл, А, Н., & Рееце, Ј. Б. (2005). Биологи. Ед Панамерицана Медицал.
  4. Цоопер, Г. М., & Хаусман, Р. Е. (2004). Ћелија: Молекуларни приступ. Медицинска наклада.
  5. Цуртис, Х., & Сцхнек, А. (2006). Инвитатион то Биологи. Ед Панамерицана Медицал.
  6. Цуртис, Х., & Сцхнек, А. (2008). Цуртис. Биологи. Ед Панамерицана Медицал.
  7. Еатон-Рие, Ј.Ј., Трипатхи, Б.Ц., & Схаркеи, Т.Д. (Едс.). (2011). Фотосинтеза: биологија пластида, конверзија енергије и асимилација угљеника (Вол. 34). Спрингер Сциенце & Бусинесс Медиа.
  8. Хохманн-Марриотт, М.Ф., & Бланкенсхип, Р.Е. (2011). Еволуција фотосинтезе. Годишњи преглед биљне биологије, 62, 515-548.
  9. Коолман, Ј., & Рохм, К.Х. (2005). Биохемија: текст и атлас. Ед Панамерицана Медицал.
  10. Паладе, Г.Е., & Росен, В.Г. (1986). Биологија ћелија: Основна истраживања и апликације. Натионал Ацадемиес.
  11. Посада, Ј. О. (2005). Основе за успостављање пашњака и крмних биљака. Университи оф Антиокуиа.
  12. Таиз, Л., & Зеигер, Е. (2007). Плант пхисиологи. Университат Јауме И.