Learning Outcomes
- Tunnista fotosynteesin reaktantit ja tuotteet
Fotosynteesi on monivaiheinen prosessi, joka vaatii substraatteina auringonvaloa, hiilidioksidia (joka on vähäenerginen) ja vettä (kuva 1). Prosessin päätyttyä se vapauttaa happea ja tuottaa glyseraldehydi-3-fosfaattia (GA3P), yksinkertaisia hiilihydraattimolekyylejä (jotka sisältävät runsaasti energiaa), jotka voidaan myöhemmin muuntaa glukoosiksi, sakkaroosiksi tai joksikin kymmenistä muista sokerimolekyyleistä. Nämä sokerimolekyylit sisältävät energiaa ja energiaa sisältävää hiiltä, jota kaikki elävät olennot tarvitsevat selviytyäkseen.
Kuva 1. Fotosynteesi käyttää aurinkoenergiaa, hiilidioksidia ja vettä energiaa varastoivien hiilihydraattien tuottamiseen. Happea syntyy fotosynteesin jätetuotteena.
Seuraavassa on fotosynteesin kemiallinen yhtälö (kuva 2):
Kuva 2. fotosynteesin kemiallinen yhtälö. Fotosynteesin perusyhtälö on petollisen yksinkertainen. Todellisuudessa prosessi tapahtuu monissa vaiheissa, joihin liittyy välireaktioita ja -tuotteita. Glukoosi, solujen ensisijainen energianlähde, valmistetaan kahdesta kolmihiilisestä GA3P:stä.
Vaikka yhtälö näyttää yksinkertaiselta, fotosynteesin aikana tapahtuvat monet vaiheet ovat todellisuudessa varsin monimutkaisia. Ennen kuin opitaan yksityiskohtia siitä, miten fotoautotrofit muuttavat auringonvalon ravinnoksi, on tärkeää tutustua asiaan liittyviin rakenteisiin.
Kasveissa fotosynteesi tapahtuu yleensä lehdissä, jotka koostuvat useista solukerroksista. Fotosynteesi tapahtuu keskimmäisessä kerroksessa, jota kutsutaan mesofylliksi. Hiilidioksidin ja hapen kaasunvaihto tapahtuu pienten, säänneltyjen aukkojen, niin sanottujen stomata-aukkojen (yksikössä: stoma) kautta, joilla on myös rooli kaasunvaihdon ja vesitasapainon säätelyssä. Huokoset sijaitsevat tyypillisesti lehden alapuolella, mikä auttaa minimoimaan vesihävikin. Jokaista stomaa reunustavat suojasolut, jotka säätelevät stomojen avautumista ja sulkeutumista turpoamalla tai kutistumalla osmoottisten muutosten vaikutuksesta.
Kaikissa autotrofisissa eukaryooteissa fotosynteesi tapahtuu kloroplastiksi kutsutun organellin sisällä. Kasveilla kloroplastin sisältäviä soluja on mesofyllissä. Kloroplastilla on kaksoiskalvokuori (joka koostuu ulkokalvosta ja sisäkalvosta). Kloroplastin sisällä on pinottuja, levynmuotoisia rakenteita, joita kutsutaan tylakoideiksi. Tylakoidikalvoon on upotettu klorofylli, pigmentti (molekyyli, joka absorboi valoa), joka vastaa valon ja kasviaineksen välisestä vuorovaikutuksesta, sekä lukuisia proteiineja, jotka muodostavat elektroninsiirtoketjun. Tylakoidikalvo ympäröi sisäistä tilaa, jota kutsutaan tylakoidilumeniksi. Kuten kuvassa 3 näkyy, tylakoidipinoa kutsutaan granumiksi, ja granumia ympäröivää nestetäytteistä tilaa kutsutaan stroomaksi tai ”sängyksi” (ei pidä sekoittaa stoomaan tai ”suuhun”, joka on lehtien epidermiksen aukko).
Harjoituskysymys
Kuva 3. Thylakoidimembraani. Fotosynteesi tapahtuu kloroplastissa, jossa on ulkokalvo ja sisäkalvo. Kolmannen kalvokerroksen muodostavat granoideiksi kutsutut tylakoideista koostuvat pinot.
Kuumana ja kuivana päivänä kasvit sulkevat stomata-aukkonsa säästääkseen vettä. Miten tämä vaikuttaa fotosynteesiin?
Fotosynteesin kaksi osaa
Fotosynteesi tapahtuu kahdessa peräkkäisessä vaiheessa: valosta riippuvat reaktiot ja valosta riippumattomat reaktiot. Valosta riippuvaisissa reaktioissa auringonvalon energia absorboituu klorofylliin ja tämä energia muunnetaan varastoituneeksi kemialliseksi energiaksi. Valosta riippumattomissa reaktioissa valosta riippuvien reaktioiden aikana kerätty kemiallinen energia ohjaa sokerimolekyylien kokoamista hiilidioksidista. Vaikka valosta riippumattomissa reaktioissa ei siis käytetä valoa reaktanttina, ne vaativat toimiakseen valoriippuvaisten reaktioiden tuotteita. Lisäksi valo aktivoi useita valosta riippumattomien reaktioiden entsyymejä. Valosta riippuvaiset reaktiot käyttävät tiettyjä molekyylejä energian väliaikaiseen varastointiin: Näitä kutsutaan energiankantajiksi. Energiankantajia, jotka siirtävät energiaa valosta riippuvaisista reaktioista valosta riippumattomiin reaktioihin, voidaan pitää ”täysinä”, koska ne sisältävät runsaasti energiaa. Kun energia on vapautunut, ”tyhjät” energiankantajat palaavat valosta riippuvaiseen reaktioon saadakseen lisää energiaa. Kuvassa 4 havainnollistetaan kloroplastin sisällä olevia komponentteja, joissa valosta riippuvaiset ja valosta riippumattomat reaktiot tapahtuvat.
Kuva 4. Fotosynteesi tapahtuu kahdessa vaiheessa: valosta riippuvaiset reaktiot ja Calvinin sykli. Valoriippuvaiset reaktiot, jotka tapahtuvat tylakoidikalvolla, käyttävät valoenergiaa ATP:n ja NADPH:n tuottamiseen. Calvinin sykli, joka tapahtuu stroomassa, käyttää näistä yhdisteistä saatavaa energiaa tuottaakseen CO2:sta GA3P:tä.
Fotosynteesi ruokakaupassa
Kuvio 5. Fotosynteesi, joka tapahtuu stroomassa. Ihmisten kuluttamat elintarvikkeet ovat peräisin fotosynteesistä. (luotto: Associação Brasileira de Supermercados)
Yhdysvaltojen suuret päivittäistavarakaupat on järjestetty osastoihin, kuten maito-, liha-, tuote-, leipä-, vilja-, ja niin edelleen. Jokaisella käytävällä (kuva 5) on satoja, ellei tuhansia, erilaisia tuotteita, joita asiakkaat voivat ostaa ja kuluttaa.
Vaikka valikoima on suuri, jokainen tuote liittyy takaisin fotosynteesiin. Liha ja maitotuotteet linkittyvät, koska eläimiä on ruokittu kasviperäisellä ravinnolla. Leivät, viljat ja pastat ovat suurelta osin peräisin tärkkelyspitoisista viljoista, jotka ovat fotosynteesistä riippuvaisten kasvien siemeniä. Entä jälkiruoat ja juomat? Kaikki nämä tuotteet sisältävät sokeria – sokeri on kasviperäinen tuote, disakkaridi, hiilihydraattimolekyyli, joka rakentuu suoraan fotosynteesistä. Lisäksi monet tuotteet ovat vähemmän ilmeisesti peräisin kasveista: esimerkiksi paperituotteet ovat yleensä kasviperäisiä tuotteita, ja monet muovit (joita on runsaasti tuotteina ja pakkauksina) voivat olla peräisin levistä tai öljystä, jotka ovat fotosynteettisten organismien fossiilisia jäänteitä. Käytännöllisesti katsoen jokainen maustekaupan mauste ja aromi on tuotettu kasvista lehden, juuren, kuoren, kukan, hedelmän tai varren muodossa. Viime kädessä fotosynteesi liittyy jokaiseen ateriaan ja jokaiseen elintarvikkeeseen, jota ihminen kuluttaa.
Yhteenveto: Yleiskatsaus fotosynteesiin
Fotosynteesin prosessi muutti elämän maapallolla. Valjastamalla auringon energiaa fotosynteesi kehittyi siten, että elävät olennot saivat käyttöönsä valtavia määriä energiaa. Fotosynteesin ansiosta elävät olennot saivat käyttöönsä riittävästi energiaa, jonka avulla ne pystyivät rakentamaan uusia rakenteita ja saavuttamaan nykyisin havaittavissa olevan biologisen monimuotoisuuden.
Vain tietyt eliöt, joita kutsutaan fotoautotrofeiksi, pystyvät suorittamaan fotosynteesiä; ne edellyttävät klorofylliä, erikoistunutta väriainetta, joka imee tiettyjä osia näkyvästä spektristä ja kykenee keräämään energiaa auringonvalosta. Fotosynteesi käyttää hiilidioksidia ja vettä hiilihydraattimolekyylien kokoamiseen ja vapauttaa happea jätetuotteena ilmakehään. Eukaryoottisilla autotrofeilla, kuten kasveilla ja levillä, on kloroplastiksi kutsuttuja organelleja, joissa fotosynteesi tapahtuu ja joihin kertyy tärkkelystä. Prokaryooteissa, kuten syanobakteereissa, prosessi on vähemmän paikallinen ja tapahtuu taitetuissa kalvoissa, plasmakalvon jatkeissa ja sytoplasmassa.
Kokeile
Kirjoita!”
Paranna tätä sivuaOpi lisää