Learning Outcomes
- A fotoszintézis reaktánsainak és termékeinek azonosítása
A fotoszintézis egy többlépcsős folyamat, amelyhez szubsztrátként napfény, szén-dioxid (amely alacsony energiatartalmú) és víz szükséges (1. ábra). A folyamat befejezése után oxigén szabadul fel, és gliceraldehid-3-foszfát (GA3P) keletkezik, egyszerű szénhidrátmolekulák (amelyek magas energiatartalmúak), amelyek később glükózzá, szacharózzá vagy tucatnyi más cukormolekula bármelyikévé átalakíthatók. Ezek a cukormolekulák energiát és energetizált szenet tartalmaznak, amelyre minden élőlénynek szüksége van a túléléshez.
1. ábra. A fotoszintézis a napenergia, a szén-dioxid és a víz felhasználásával energiatároló szénhidrátokat állít elő. A fotoszintézis hulladéktermékeként oxigén keletkezik.
A fotoszintézis kémiai egyenlete a következő (2. ábra):
2. ábra. A fotoszintézis alapegyenlete megtévesztően egyszerű. A valóságban a folyamat sok lépésben zajlik, köztes reaktánsok és termékek bevonásával. A sejtek elsődleges energiaforrása, a glükóz két három szénatomos GA3P-ből keletkezik.
Bár az egyenlet egyszerűnek tűnik, a fotoszintézis során végbemenő számos lépés valójában meglehetősen összetett. Mielőtt megismernénk annak részleteit, hogyan alakítják a fotoautotrófok a napfényt táplálékká, fontos, hogy megismerjük az érintett struktúrákat.
A növényekben a fotoszintézis általában a levelekben zajlik, amelyek több sejtrétegből állnak. A fotoszintézis folyamata a középső, mezofillnek nevezett rétegben zajlik. A szén-dioxid és az oxigén gázcseréje apró, szabályozott nyílásokon, úgynevezett sztómákon (egyes számban: sztómák) keresztül történik, amelyek a gázcsere és a vízháztartás szabályozásában is szerepet játszanak. A sztómák jellemzően a levél alján helyezkednek el, ami segít a vízveszteség minimalizálásában. Minden sztómát őrsejtek szegélyeznek, amelyek az ozmotikus változásokra reagálva duzzadással vagy zsugorodással szabályozzák a sztómák nyitását és zárását.
A fotoszintézis minden autotróf eukariótában egy kloroplasztnak nevezett organellában zajlik. A növények esetében a kloroplasztiszokat tartalmazó sejtek a mezofillben vannak. A kloroplasztiszok kettős (egy külső és egy belső membránból álló) membránburokkal rendelkeznek. A kloroplasztiszon belül egymásra helyezett, korong alakú struktúrák, a tilakoidok találhatók. A tilakoidmembránba ágyazva található a klorofill, egy pigment (fényt elnyelő molekula), amely a fény és a növényi anyag közötti kezdeti kölcsönhatásért felelős, valamint számos fehérje, amelyek az elektrontranszportláncot alkotják. A tilakoidmembrán egy belső teret, a tilakoidlument zárja körül. Ahogy a 3. ábrán látható, a tikakoidok halmazát granumnak nevezzük, a granumot körülvevő folyadékkal teli teret pedig strómának vagy “ágynak” (nem tévesztendő össze a sztómával vagy “szájjal”, a levél epidermiszének nyílásával).
gyakorlati kérdés
3. ábra. A fotoszintézis a kloroplasztiszokban zajlik, amelyeknek egy külső és egy belső membránjuk van. A grana nevű tilakoidok halmai egy harmadik membránréteget alkotnak.
A forró, száraz napon a növények bezárják a sztómáikat, hogy vizet takarítsanak meg. Milyen hatással lesz ez a fotoszintézisre?
A fotoszintézis két része
A fotoszintézis két egymást követő szakaszban zajlik: a fényfüggő és a fénytől független reakciókban. A fényfüggő reakciókban a napfény energiáját a klorofill elnyeli, és ezt az energiát tárolt kémiai energiává alakítja át. A fényfüggetlen reakciókban a fényfüggő reakciók során nyert kémiai energia hajtja a cukormolekulák szén-dioxidból történő összeállítását. Ezért, bár a fényfüggetlen reakciók nem használják fel a fényt reaktánsként, működésükhöz szükségük van a fényfüggő reakciók termékeire. Ezenkívül a fényfüggetlen reakciók számos enzimjét a fény aktiválja. A fényfüggő reakciók bizonyos molekulákat használnak az energia átmeneti tárolására: Ezeket energiahordozóknak nevezzük. A fényfüggő reakciókból a fényfüggetlen reakciókba energiát átvivő energiahordozókat “teltnek” tekinthetjük, mivel energiában gazdagok. Az energia felszabadulása után az “üres” energiahordozók visszatérnek a fényfüggő reakcióba, hogy újabb energiát nyerjenek. A 4. ábra szemlélteti a kloroplasztiszon belüli komponenseket, ahol a fényfüggő és fényfüggetlen reakciók zajlanak.
4. ábra. A fotoszintézis két szakaszban zajlik: a fényfüggő reakciók és a Calvin-ciklus. A fényfüggő reakciók, amelyek a tilakoidmembránban zajlanak, a fényenergiát ATP és NADPH előállítására használják fel. A Calvin-ciklus, amely a strómában zajlik, az ezekből a vegyületekből származó energiát használja fel arra, hogy CO2-ból GA3P-t állítson elő.
A fotoszintézis az élelmiszerboltban
5. ábra. Az emberek által fogyasztott élelmiszerek fotoszintézisből származnak. (credit: Associação Brasileira de Supermercados)
A nagyobb élelmiszerboltok az Egyesült Államokban olyan osztályokba vannak szervezve, mint a tejtermékek, húsok, termények, kenyér, gabonafélék és így tovább. Minden egyes folyosó (5. ábra) több száz, ha nem több ezer különböző terméket tartalmaz, amelyeket a vásárlók megvásárolhatnak és elfogyaszthatnak.
Bár nagy a választék, minden egyes termék visszavezethető a fotoszintézishez. A húsok és a tejtermékek azért kapcsolódnak, mert az állatokat növényi táplálékkal etették. A kenyerek, gabonafélék és tészták nagyrészt keményítőtartalmú gabonákból származnak, amelyek a fotoszintézistől függő növények magvai. Mi a helyzet a desszertekkel és az italokkal? Ezek a termékek mind tartalmaznak cukrot – a szacharóz egy növényi termék, egy diszacharid, egy szénhidrátmolekula, amely közvetlenül a fotoszintézisből épül fel. Sőt, sok termék kevésbé nyilvánvalóan növényekből származik: például a papíráruk általában növényi termékek, és sok műanyag (termékként és csomagolásként bőségesen megtalálható) származhat algákból vagy olajból, a fotoszintetikus szervezetek megkövesedett maradványaiból. Gyakorlatilag minden fűszer és ízesítőanyag a fűszerfolyosón egy növényből származik, levél, gyökér, kéreg, virág, gyümölcs vagy szár formájában. Végső soron a fotoszintézis minden étkezéshez és minden élelmiszerhez kapcsolódik, amit az ember elfogyaszt.
Összefoglalva: A fotoszintézis áttekintése
A fotoszintézis folyamata alakította át az életet a Földön. A nap energiájának hasznosításával a fotoszintézis úgy fejlődött ki, hogy az élőlények hatalmas mennyiségű energiához jutottak hozzá. A fotoszintézisnek köszönhetően az élőlények elegendő energiához jutottak, ami lehetővé tette számukra, hogy új struktúrákat építsenek, és elérjék a ma látható biológiai sokféleséget.
A fotoszintézist csak bizonyos szervezetek, az úgynevezett fotoautotrófok képesek elvégezni; nekik a klorofill, egy speciális pigment jelenlétére van szükségük, amely elnyeli a látható spektrum bizonyos részeit, és képes a napfény energiáját megkötni. A fotoszintézis szén-dioxidból és vízből szénhidrátmolekulákat épít fel, és hulladéktermékként oxigént bocsát ki a légkörbe. Az eukarióta autotrófok, például a növények és az algák kloroplasztisznak nevezett organellumokkal rendelkeznek, amelyekben a fotoszintézis zajlik, és a keményítő felhalmozódik. A prokariótákban, például a cianobaktériumokban a folyamat kevésbé lokalizált, és összehajtogatott membránokban, a plazmamembrán nyúlványaiban és a citoplazmában zajlik.
Kipróbáld
Tegyél hozzá!
Javítsd ezt az oldaltTudj meg többet