Συστατικά της φωτοσύνθεσης

Περιεχόμενο

• Συστατικά της φωτοσύνθεσης
• Περίληψη της Φωτοσύνθεσης
• Πώς τα φύλλα υποστηρίζουν τη φωτοσύνθεση
• Χλωροπλάστες: Εργοστάσια φωτοσύνθεσης
• Τι είναι τα θυλακοειδή;
• Οι αντιδράσεις φωτός: Φως φτάνει τη μεμβράνη Thylakoid
• Οι αντιδράσεις φωτός: Ηλεκτρονική μεταφορά
• Οι αντιδράσεις φωτός: Φωτοφωσφορυλίωση
• Η σκοτεινή αντίδραση: Καθορισμός άνθρακα

Τα φυτά είναι αναμφισβήτητα τα αγαπημένα των ανθρώπων που ζουν εκτός του ζωικού βασιλείου. Εκτός από την ικανότητα των φυτών να τροφοδοτούν τους ανθρώπους του κόσμου - χωρίς φρούτα, λαχανικά, καρύδια και δημητριακά, είναι απίθανο ότι εσείς ή αυτό το άρθρο θα υπήρχε - τα φυτά είναι σεβαστά για την ομορφιά τους και το ρόλο τους σε κάθε είδους ανθρώπινη τελετή. Αυτό που καταφέρνουν να το κάνουν χωρίς την ικανότητα να μετακινούνται ή να τρώνε είναι πράγματι αξιοσημείωτο.

Τα φυτά, στην πραγματικότητα, κάνουν χρήση του ίδιου βασικού μορίου που κάνουν όλες οι μορφές ζωής για να αναπτυχθούν, να επιβιώσουν και να αναπαραγάγουν: το μικρό, έξι-άνθρακα, δακτυλιοειδές υδατάνθρακα γλυκόζη. Αλλά αντί να τρώει πηγές αυτής της ζάχαρης, το κάνουν αντ 'αυτού. Πώς είναι δυνατόν αυτό, και δεδομένου ότι είναι, γιατί οι άνθρωποι και τα άλλα ζώα απλά κάνουν το ίδιο πράγμα και σώζουν τους εαυτούς τους για το κυνήγι, τη συλλογή, την αποθήκευση και την κατανάλωση τροφίμων;

Η απάντηση είναι φωτοσύνθεση, τη σειρά των χημικών αντιδράσεων στις οποίες τα φυτικά κύτταρα χρησιμοποιούν ενέργεια από το φως του ήλιου για να κάνουν τη γλυκόζη. Τα φυτά στη συνέχεια χρησιμοποιούν κάποια από τη γλυκόζη για δικές τους ανάγκες, ενώ τα υπόλοιπα παραμένουν διαθέσιμα για άλλους οργανισμούς.

Συστατικά της φωτοσύνθεσης

Οι άσχημοι φοιτητές θα μπορούσαν γρήγορα να ρωτήσουν: "Κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης στα φυτά, ποια είναι η πηγή του άνθρακα στο μόριο ζάχαρης που παράγει το φυτό;" Δεν χρειάζεστε ένα βαθμό επιστήμης για να υποθέσετε ότι η «ενέργεια από τον ήλιο» αποτελείται από το φως και ότι το φως δεν περιέχει κανένα από τα στοιχεία που αποτελούν τα μόρια που απαντώνται συχνότερα στα ζωντανά συστήματα. (Το φως αποτελείται από φωτόνια, τα οποία είναι σωματίδια χωρίς μάζα που δεν υπάρχουν στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων.)

Ο ευκολότερος τρόπος να εισαχθούν τα διάφορα μέρη της φωτοσύνθεσης είναι να αρχίσει με τον χημικό τύπο που συνοψίζει ολόκληρη τη διαδικασία.

6 Η₂O + 6 CO₂ → ντο₆H₁₂Ο₆+ 6 Ο₂

Έτσι, οι πρώτες ύλες της φωτοσύνθεσης είναι το νερό (Η₂Ο) και διοξείδιο του άνθρακα (CO₂), και τα δύο που είναι άφθονα στο έδαφος και στην ατμόσφαιρα, ενώ τα προϊόντα είναι γλυκόζη (C₆H₁₂Ο₆) και αέριο οξυγόνο (Ο₂).

Περίληψη της Φωτοσύνθεσης

Μία σχηματική ανασκόπηση της διαδικασίας φωτοσύνθεσης, τα συστατικά της οποίας περιγράφονται λεπτομερώς στις επόμενες ενότητες, έχει ως εξής. (Προς το παρόν, μην ανησυχείτε για τις συντομογραφίες με τις οποίες μπορεί να μην είστε εξοικειωμένοι.)

Τα πρώτα τέσσερα από αυτά τα βήματα είναι γνωστά ως αντιδράσεις φωτός ή αντιδράσεις που εξαρτώνται από το φως, καθώς βασίζονται απολύτως στο ηλιακό φως για να λειτουργούν. Ο κύκλος Calvin, αντίθετα, ονομάζεται σκοτεινή αντίδραση, επίσης γνωστές ως αντιδράσεις ανεξάρτητες από το φως. Ενώ, όπως υποδηλώνει το όνομα, η σκοτεινή αντίδραση μπορεί να λειτουργήσει χωρίς πηγή φωτός, βασίζεται σε προϊόντα που δημιουργούνται στις αντιδράσεις που εξαρτώνται από το φως για να προχωρήσουμε.

Πώς τα φύλλα υποστηρίζουν τη φωτοσύνθεση

Εάν έχετε εξετάσει ποτέ ένα διάγραμμα μιας διατομής του ανθρώπινου δέρματος (δηλαδή, τι θα έμοιαζε από την πλευρά, εάν θα μπορούσατε να το δείτε σε όλη τη διαδρομή από την επιφάνεια σε ό, τι ιστό το δέρμα συναντά κάτω από), εσείς μπορεί να έχει παρατηρήσει ότι το δέρμα περιλαμβάνει ξεχωριστά στρώματα. Αυτά τα στρώματα περιέχουν διαφορετικά συστατικά σε διαφορετικές συγκεντρώσεις, όπως αδένες ιδρώτα και θυλάκια τρίχας.

Η ανατομία ενός φύλλου είναι διατεταγμένη με παρόμοιο τρόπο, εκτός από το ότι τα φύλλα αντιμετωπίζουν τον εξωτερικό κόσμο δύο πλευρές. Μετακινώντας από την κορυφή του φύλλου (θεωρείται ότι είναι εκείνη που αντιμετωπίζει το φως πιο συχνά) στην κάτω πλευρά, τα στρώματα περιλαμβάνουν επιδερμίδα, ένα κηρώδες, λεπτό προστατευτικό παλτό. ο ανώτερη επιδερμίδα. ο μεσοφύλλη. ο χαμηλότερη επιδερμίδα. και ένα δεύτερο στρώμα επιδερμίδας.

Η ίδια η μεσοφύλλη περιλαμβάνει ένα άνω μέρος φράκτης εκ πασσάλων στρώμα, με κυψέλες τοποθετημένες σε τακτοποιημένες στήλες και χαμηλότερη σπογγώδης στρώμα, το οποίο έχει λιγότερα κελιά και μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ τους. Η φωτοσύνθεση λαμβάνει χώρα στη μεσόφυλα, η οποία έχει νόημα επειδή είναι το πιο επιφανειακό στρώμα ενός φύλλου οποιασδήποτε ουσίας και είναι πλησιέστερα σε οποιοδήποτε φως που χτυπά την επιφάνεια των φύλλων.

Χλωροπλάστες: Εργοστάσια φωτοσύνθεσης

Οι οργανισμοί που πρέπει να τροφοδοτήσουν από οργανικά μόρια στο περιβάλλον τους (δηλαδή από τις ουσίες που οι άνθρωποι ονομάζουν «τρόφιμα») είναι γνωστές ως ετερότροφα. Τα φυτά, από την άλλη πλευρά, είναι autotrophs στο ότι χτίζουν αυτά τα μόρια μέσα στα κύτταρα τους και στη συνέχεια χρησιμοποιούν ό, τι χρειάζονται από αυτά προτού ο υπόλοιπος σχετικός άνθρακας επιστραφεί στο οικοσύστημα όταν το φυτό πεθαίνει ή τρώγεται.

Η φωτοσύνθεση εμφανίζεται σε οργανίδια ("μικροσκοπικά όργανα") στα φυτικά κύτταρα που ονομάζονται χλωροπλάστες. Τα Organelles, τα οποία υπάρχουν μόνο σε ευκαρυωτικά κύτταρα, περιβάλλονται από μια μεμβράνη διπλού πλάσματος που είναι δομικά παρόμοια με εκείνη που περιβάλλει το κύτταρο στο σύνολό του (που συνήθως ονομάζεται κυτταρική μεμβράνη).

Οι λειτουργικές μονάδες της φωτοσύνθεσης είναι τα θυλακοειδή. Αυτές οι δομές εμφανίζονται και στους δύο φωτοσυνθετικούς προκαρυώτες, όπως κυανοβακτήρια (μπλε-πράσινα φύκια) και φυτά. Αλλά επειδή μόνο οι ευκαρυώτες φέρουν οργανικά δεσμευμένα σε μεμβράνη, τα θυλακοειδή σε προκαρυωτικά καθίστανται ελεύθερα στο κυτταρόπλασμα κυττάρων, ακριβώς όπως το DNA σε αυτούς τους οργανισμούς οφείλεται στην έλλειψη πυρήνα σε προκαρυώτες.

Τι είναι τα θυλακοειδή;

Στα φυτά, η θυλακοειδής μεμβράνη είναι στην πραγματικότητα συνεχής με τη μεμβράνη του ίδιου του χλωροπλάστη. Επομένως, τα θυλακοειδή είναι σαν οργανίδια μέσα σε οργανίδια. Διατίθενται σε στρογγυλές στοίβες, όπως οι πλάκες δείπνου σε ένα ντουλάπι - κοίλες πλάκες δείπνου, δηλαδή. Αυτές οι στήλες καλούνται grana, και οι εσωτερικοί χώροι των θυλακοειδών είναι συνδεδεμένοι σε ένα δίκτυο με σωλήνες mazelike. Ο χώρος μεταξύ των θυλακοειδών και της εσωτερικής μεμβράνης χλωροπλάστη ονομάζεται στρώμα.

Τα θυλακοειδή περιέχουν μια χρωστική που ονομάζεται χλωροφύλλη, η οποία είναι υπεύθυνη για το πράσινο χρώμα που τα περισσότερα φυτά εκθέτουν σε κάποια μορφή. Πιο σημαντικό από το να προσφέρει το ανθρώπινο μάτι μια λαμπερή εμφάνιση, ωστόσο, η χλωροφύλλη είναι αυτό που "συλλαμβάνει" το ηλιακό φως (ή για το θέμα αυτό, το τεχνητό φως) στον χλωροπλάστη και επομένως την ουσία που επιτρέπει τη διαδικασία φωτοσύνθεσης στην πρώτη θέση.

Υπάρχουν στην πραγματικότητα αρκετές διαφορετικές χρωστικές που συμβάλλουν στη φωτοσύνθεση, με την πρωτογενή χλωροφύλλη Α. Εκτός από τις παραλλαγές χλωροφύλλης, πολλές άλλες χρωστικές στα θυλακοειδή ανταποκρίνονται στο φως, συμπεριλαμβανομένων των κόκκινων, καφέ και μπλε τύπων. Αυτά μπορούν να αναμεταδώσουν το εισερχόμενο φως στην χλωροφύλλη Α, ή μπορεί να βοηθήσουν στη διατήρηση του κυττάρου από το να φθαρεί από το φως εξυπηρετώντας ως χαλκιά ενός είδους.

Οι αντιδράσεις φωτός: Φως φτάνει τη μεμβράνη Thylakoid

Όταν το ηλιακό φως ή η φωτεινή ενέργεια από άλλη πηγή φθάσει στην μεμβράνη θυλακοειδούς μετά από τη διέλευση από την επιδερμίδα του φύλλου, το τοίχωμα του φυτικού κυττάρου, τα στρώματα της κυτταρικής μεμβράνης, τα δύο στρώματα της χλωροπλαστικής μεμβράνης και τέλος το στρώμα, συναντά ένα ζευγάρι στενά συγγενικά πολυπεπτιδικά σύμπλοκα που ονομάζονται φωτοσυστήματα.

Το σύμπλεγμα που ονομάζεται Photosystem I διαφέρει από το σύντροφο του Photosystem II στο ότι ανταποκρίνεται διαφορετικά σε διαφορετικά μήκη κύματος φωτός. Επιπλέον, τα δύο φωτοσυστήματα περιέχουν ελαφρώς διαφορετικές εκδόσεις της χλωροφύλλης Α. Το σύστημα I περιέχει μια μορφή που ονομάζεται P700, ενώ το Photosystem II χρησιμοποιεί μια μορφή που ονομάζεται P680. Αυτά τα σύμπλοκα περιέχουν ένα συγκρότημα συλλογής φωτός και ένα κέντρο αντίδρασης. Όταν το φως φτάσει σε αυτά, απομακρύνει ηλεκτρόνια από μόρια στη χλωροφύλλη και αυτά προχωρούν στο επόμενο βήμα στις αντιδράσεις του φωτός.

Θυμηθείτε ότι η καθαρή εξίσωση για τη φωτοσύνθεση περιλαμβάνει και τα CO₂ και Η₂O ως είσοδοι. Αυτά τα μόρια περνούν ελεύθερα στα κύτταρα του φυτού λόγω του μικρού τους μεγέθους και διατίθενται ως αντιδραστήρια.

Οι αντιδράσεις φωτός: Ηλεκτρονική μεταφορά

Όταν τα ηλεκτρόνια εκτοξεύονται χωρίς μόρια χλωροφύλλης από το εισερχόμενο φως, πρέπει να αντικατασταθούν με κάποιο τρόπο. Αυτό γίνεται κυρίως με τη διάσπαση του Η₂Ο σε οξυγόνο (Ο₂) και ελεύθερα ηλεκτρόνια. Το Ο₂ σε αυτή τη ρύθμιση είναι ένα απόβλητο προϊόν (ίσως είναι δύσκολο για τους περισσότερους ανθρώπους να αντιληφθούν το νέο οξυγόνο ως προϊόν αποβλήτων, αλλά είναι οι ιδιοτροπίες της βιοχημείας), ενώ μερικά από τα ηλεκτρόνια μπαίνουν στη χλωροφύλλη με τη μορφή υδρογόνου Η).

Τα ηλεκτρόνια κάνουν το δρόμο τους "προς τα κάτω" την αλυσίδα των μορίων που είναι ενσωματωμένα στην θυλακοειδή μεμβράνη προς τον τελικό αποδέκτη ηλεκτρονίων, ένα μόριο γνωστό ως νικοτιναμιδικό αδενινο δινουκλεοτιδικό φωσφορικό (NADP⁺ ). Καταλάβετε ότι "κάτω" δεν σημαίνει κατακόρυφα προς τα κάτω, αλλά προς τα κάτω με την έννοια της σταδιακά χαμηλότερης ενέργειας. Όταν τα ηλεκτρόνια φτάσουν στο NADP⁺, αυτά τα μόρια συνδυάζονται για να δημιουργήσουν τη μειωμένη μορφή του φορέα ηλεκτρονίων, NADPH. Αυτό το μόριο είναι απαραίτητο για την επακόλουθη σκοτεινή αντίδραση.

Οι αντιδράσεις φωτός: Φωτοφωσφορυλίωση

Την ίδια στιγμή που παράγεται το NADPH στο σύστημα που περιγράφηκε προηγουμένως, μια διαδικασία που ονομάζεται φωτοφωσφορυλίωση χρησιμοποιεί ενέργεια που απελευθερώνεται από άλλα ηλεκτρόνια "στρέβλωση" στην θυλακοειδής μεμβράνη. Η κινητήρια δύναμη του πρωτονίου συνδέεται ανόργανα φωσφορικά μόρια, ή Ρ_Εγώ, σε διφωσφορική αδενοσίνη (ΑϋΡ) προς σχηματισμό τριφωσφορικής αδενοσίνης (ΑΤΡ).

Αυτή η διαδικασία είναι ανάλογη με τη διαδικασία στην κυτταρική αναπνοή γνωστή ως οξειδωτική φωσφορυλίωση. Ταυτόχρονα παράγεται ATP στα θυλακοειδή με σκοπό την παρασκευή γλυκόζης στη σκοτεινή αντίδραση, μιτοχόνδρια αλλού σε φυτικά κύτταρα χρησιμοποιούν τα προϊόντα της διάσπασης μερικών από αυτή τη γλυκόζη για να καταστήσουν ΑΤΡ κυτταρική αναπνοή για τα τελικά μεταβολικά φυτά ανάγκες των.

Η σκοτεινή αντίδραση: Καθορισμός άνθρακα

Όταν η CO₂ εισέρχεται στα φυτικά κύτταρα, υφίσταται μια σειρά αντιδράσεων, πρώτα που προστίθενται σε ένα μόριο πέντε άνθρακα για να δημιουργηθεί ένα ενδιάμεσο έξι-άνθρακα που διασπάται γρήγορα σε δύο μόρια τριών-άνθρακα. Γιατί δεν είναι αυτό το μόριο των έξι ατόμων άνθρακα απλά κατασκευασμένο απευθείας στη γλυκόζη, επίσης ένα μόριο έξι ατόμων άνθρακα; Ενώ μερικά από αυτά τα μόρια τριών ατόμων άνθρακα εξέρχονται από τη διαδικασία και στην πραγματικότητα χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση γλυκόζης, χρειάζονται άλλα τρία μόρια άνθρακα για να διατηρηθεί ο κύκλος, καθώς συνδέονται με την εισερχόμενη CO₂ για να γίνει η ένωση πέντε-άνθρακα που σημειώθηκε παραπάνω.

Το γεγονός ότι η ενέργεια από το φως χρησιμοποιείται στη φωτοσύνθεση για να οδηγήσει τις διαδικασίες ανεξάρτητες από το φως έχει νόημα δεδομένου του γεγονότος ότι ο ήλιος ανατέλλει και ορίζει, γεγονός που θέτει τα φυτά σε θέση να «συσσωρεύουν» μόρια κατά τη διάρκεια της ημέρας, ώστε να μπορούν να κάνουν το φαγητό τους ενώ ο ήλιος είναι κάτω από τον ορίζοντα.

Για τους σκοπούς της ονοματολογίας, ο κύκλος Calvin, η σκοτεινή αντίδραση και η σταθεροποίηση του άνθρακα αναφέρονται όλα στο ίδιο πράγμα, το οποίο κάνει τη γλυκόζη. Είναι σημαντικό να συνειδητοποιήσουμε ότι χωρίς μια σταθερή παροχή φωτός, η φωτοσύνθεση δεν θα μπορούσε να συμβεί. Τα φυτά μπορούν να ευδοκιμήσουν σε περιβάλλοντα όπου υπάρχει πάντα φως, όπως σε ένα δωμάτιο όπου τα φώτα δεν είναι ποτέ αχνά. Αλλά το αντίστροφο δεν είναι αλήθεια: Χωρίς φως, η φωτοσύνθεση είναι αδύνατη.