Biology for Majors I

Fotosynteza jest wieloetapowym procesem, który wymaga światła słonecznego, dwutlenku węgla (który jest niskoenergetyczny) i wody jako substratów (Rysunek 1). Po zakończeniu procesu, uwalnia tlen i wytwarza gliceraldehyd-3-fosforan (GA3P), proste cząsteczki węglowodanów (które są wysokoenergetyczne), które mogą być następnie przekształcone w glukozę, sacharozę lub dowolny z dziesiątków innych cząsteczek cukru. Te cząsteczki cukru zawierają energię i węgiel energetyczny, którego wszystkie żywe organizmy potrzebują do przetrwania.

Rysunek 1. Fotosynteza wykorzystuje energię słoneczną, dwutlenek węgla i wodę do produkcji węglowodanów magazynujących energię. Tlen jest wytwarzany jako produkt odpadowy fotosyntezy.

Poniżej przedstawiono równanie chemiczne fotosyntezy (rysunek 2):

Rysunek 2. Podstawowe równanie fotosyntezy jest zwodniczo proste. W rzeczywistości proces ten przebiega w wielu etapach z udziałem pośrednich reaktantów i produktów. Glukoza, podstawowe źródło energii w komórkach, jest wytwarzana z dwóch trójwęglowych GA3Ps.

Chociaż równanie wygląda prosto, wiele etapów zachodzących podczas fotosyntezy jest w rzeczywistości dość złożonych. Zanim poznamy szczegóły tego, jak fotoautotrofy zmieniają światło słoneczne w pożywienie, ważne jest, aby zapoznać się z zaangażowanymi strukturami.

W roślinach fotosynteza odbywa się na ogół w liściach, które składają się z kilku warstw komórek. Proces fotosyntezy zachodzi w środkowej warstwie zwanej mezofilem. Wymiana gazowa dwutlenku węgla i tlenu zachodzi przez małe, regulowane otwory zwane stomiami (liczba pojedyncza: stoma), które odgrywają również rolę w regulacji wymiany gazowej i bilansu wodnego. Stomata są zwykle zlokalizowane na spodniej stronie liścia, co pomaga zminimalizować utratę wody. Każda stomia jest otoczona przez komórki strażnicze, które regulują otwieranie i zamykanie stomii poprzez pęcznienie lub kurczenie się w odpowiedzi na zmiany osmotyczne.

We wszystkich autotroficznych eukariotach fotosynteza zachodzi wewnątrz organelli zwanej chloroplastem. W przypadku roślin, komórki zawierające chloroplasty istnieją w mezofilu. Chloroplasty mają podwójną otoczkę błonową (składającą się z błony zewnętrznej i wewnętrznej). Wewnątrz chloroplastu znajdują się ułożone w stosy, dyskowate struktury zwane tylakoidami. W błonie tylakoidów osadzony jest chlorofil, pigment (cząsteczka pochłaniająca światło) odpowiedzialny za początkową interakcję pomiędzy światłem a materiałem roślinnym, oraz liczne białka tworzące łańcuch transportu elektronów. Błona tylakoidu zamyka wewnętrzną przestrzeń zwaną światłem tylakoidu. Jak pokazano na Rysunku 3, stos tylakoidów nazywany jest granum, a wypełniona cieczą przestrzeń otaczająca granum nazywana jest stromą lub „łożem” (nie mylić ze stomią lub „ustami”, otworem w epidermie liścia).

Pytanie praktyczne

Figura 3. Fotosynteza zachodzi w chloroplastach, które mają błonę zewnętrzną i błonę wewnętrzną. Stosy tylakoidów zwanych granami tworzą trzecią warstwę błony.

W gorący, suchy dzień rośliny zamykają swoje aparaty szparkowe, aby oszczędzać wodę. Jaki to będzie miało wpływ na fotosyntezę?

Pokaż odpowiedź

Natychmiast spadnie poziom dwutlenku węgla (niezbędnego substratu fotosyntezy). W rezultacie tempo fotosyntezy zostanie zahamowane.

Dwie części fotosyntezy

Fotosynteza przebiega w dwóch następujących po sobie etapach: reakcje zależne od światła i reakcje niezależne od światła. W reakcjach zależnych od światła, energia światła słonecznego jest absorbowana przez chlorofil i energia ta jest przekształcana w zmagazynowaną energię chemiczną. W reakcjach niezależnych od światła, energia chemiczna zebrana podczas reakcji zależnych od światła napędza tworzenie cząsteczek cukru z dwutlenku węgla. Dlatego też, chociaż reakcje niezależne od światła nie wykorzystują światła jako reagentu, to do ich funkcjonowania potrzebne są produkty reakcji zależnych od światła. Ponadto, kilka enzymów reakcji niezależnych od światła jest aktywowanych przez światło. Reakcje zależne od światła wykorzystują pewne cząsteczki do tymczasowego przechowywania energii: Są one określane jako nośniki energii. Nośniki energii, które przenoszą energię z reakcji zależnych od światła do reakcji niezależnych od światła, mogą być uważane za „pełne”, ponieważ są bogate w energię. Po uwolnieniu energii „puste” nośniki energii wracają do reakcji zależnej od światła, aby uzyskać więcej energii. Rysunek 4 ilustruje elementy wewnątrz chloroplastu, gdzie zachodzą reakcje zależne i niezależne od światła.

Rysunek 4. Fotosynteza przebiega w dwóch etapach: reakcje zależne od światła i cykl Calvina. Reakcje zależne od światła, zachodzące w błonie tylakoidalnej, wykorzystują energię świetlną do wytworzenia ATP i NADPH. Cykl Calvina, który zachodzi w stromie, wykorzystuje energię pochodzącą z tych związków do wytworzenia GA3P z CO2.

Fotosynteza w sklepie spożywczym

Rys. 5. Pokarmy spożywane przez ludzi powstają w wyniku fotosyntezy. (kredyt: Associação Brasileira de Supermercados)

Większe sklepy spożywcze w Stanach Zjednoczonych są zorganizowane w działy, takie jak nabiał, mięso, produkty, chleb, zboża, i tak dalej. Każdy korytarz (rysunek 5) zawiera setki, jeśli nie tysiące, różnych produktów dla klientów do zakupu i konsumpcji.

Choć istnieje duża różnorodność, każdy element łączy się z powrotem do fotosyntezy. Mięso i nabiał link, ponieważ zwierzęta były karmione żywności na bazie roślin. Chleby, zboża i makarony pochodzą w dużej mierze z ziaren skrobiowych, które są nasionami roślin zależnych od fotosyntezy. A co z deserami i napojami? Wszystkie te produkty zawierają cukier – sacharoza jest produktem roślinnym, dwucukrem, cząsteczką węglowodanową, która powstaje bezpośrednio w wyniku fotosyntezy. Co więcej, wiele produktów w mniej oczywisty sposób pochodzi od roślin: na przykład artykuły papiernicze są generalnie produktami roślinnymi, a wiele tworzyw sztucznych (obficie występujących jako produkty i opakowania) może pochodzić z alg lub z ropy naftowej, skamieniałych pozostałości organizmów fotosyntetyzujących. Praktycznie każda przyprawa i aromat w alejce z przyprawami została wyprodukowana przez roślinę w postaci liścia, korzenia, kory, kwiatu, owocu lub łodygi. Ostatecznie, fotosynteza łączy się z każdym posiłkiem i każdą żywnością, którą spożywa człowiek.

Przyczyń się!

Popraw tę stronęDowiedz się więcej