Fotoszintézis folyamat, szervezetek, típusok, tényezők és funkciók

az fotoszintézis Ez a biológiai folyamat, ahol a napfény kémiai energiává alakul és szerves molekulákban tárolódik. Ez egy kapcsolat a napenergia és a Föld élete között.

Metabolikusan a növények autotrofikusnak minősülnek. Ez azt jelenti, hogy nem kell ételt fogyasztaniuk a túléléshez, hogy képesek legyenek a fotoszintézis útján előállítani. Minden növény, alga és még néhány baktérium fotoszintetikus organizmus, amely a szövetek vagy szerkezetek zöld színével jellemezhető.

Ez a folyamat a kloroplasztikának nevezett organellákban fordul elő: membrános szubcelluláris rekeszek, amelyek olyan fehérjéket és enzimeket tartalmaznak, amelyek lehetővé teszik komplex reakciók kialakulását. Ezenkívül ez a fizikai hely, ahol a klorofill tárolásra kerül, a fotoszintézishez szükséges pigment.

Csodálatos részletességgel ismert a szén-dioxidtól kezdve a szén-dioxidtól kezdve és a cukor-molekulához vezető szénhidrogén. Az útvonal történetileg megoszlott fényfázisra és sötét fázisra, amely térben elválasztott a kloroplasztban.

A fényfázis a kloroplasztil-szilakoid membránjában zajlik, és a vízmolekulát oxigénben, protonokban és elektronokban szakítja meg. Az utóbbit a membránon keresztül továbbítják az ATP és a NADPH formájú energiakeret létrehozásához, amelyeket a következő fázisban használnak fel..

A fotoszintézis sötét fázisa a kloroplasztikus stromában történik. A szén-dioxid (CO₂) szénhidrátokban, a Calvin-Benson ciklus enzimjeivel.

A fotoszintézis kulcsfontosságú út a bolygón élő összes élő szervezet számára, amely a kezdeti energia és az oxigén forrása. Hipotetikusan, ha a fotoszintézis abbahagyja a működését, akkor mindössze 25 év múlva megtörténik az összes "kiemelkedő" élő lény tömeges kihalása..

index

• 1 Történelmi szempont
• 2 A fotoszintézis egyenlete
  • 2.1 Általános egyenlet
  • 2.2 Világos és sötét fázis
  • 2,3 ΔG ° a reakciók
• 3 Hol történik ez??
• 4 Folyamat (fázisok)
  • 4.1 Világító fázis
  • 4.2 Az érintett fehérjék
  • 4.3 Fotórendszerek
  • 4.4 Ciklikus elektronáramlás
  • 4.5 Egyéb pigmentek
  • 4.6 Sötét fázis
  • 4.7 Calvin ciklus
• 5 Fotoszintetikus szervezetek
• 6 A fotoszintézis típusai
  • 6.1 Oxigén és anoxigén fotoszintézis
  • 6.2 A C4 és CAM metabolizmus típusai
  • 6.3 Metabolizmus C4
  • 6.4 Fotoszintézis CAM
• 7 A fotoszintézisben szerepet játszó tényezők
• 8 Funkciók
• 9 Evolúció
  • 9.1 Az első fotoszintetikus életformák
  • 9.2 Az oxigén szerepe az evolúcióban
• 10 Referenciák

Történelmi szempont

Korábban úgy gondolták, hogy a növények az állati táplálkozáshoz hasonló módon a talajban jelenlévő humusz révén kapják meg az ételüket. Ezek a gondolatok az ókori filozófusok, mint például az Empedocles és Arisztotelész voltak. Feltételezték, hogy a gyökerek úgy viselkedtek, mint a köldökzsinórok vagy a szájok, amelyek a növényt táplálták.

Ez a vízió fokozatosan megváltozott a tizenötödik és tizenkilencedik század közötti kutatók kemény munkájának köszönhetően, aki feltárta a fotoszintézis alapjait..

A fotoszintetikus folyamat megfigyelése 200 évvel ezelőtt kezdődött, amikor Joseph Priestley arra a következtetésre jutott, hogy a fotoszintézis a celluláris légzés fordított jelensége. A kutató felfedezte, hogy a légkörben lévő összes oxigént a növények fotoszintézis útján termelik.

Ezt követően szilárd bizonyítékok mutatkoztak a víz, a szén-dioxid és a napfény szükségességéről, hogy ez a folyamat hatékonyan bekövetkezzen.

A 19. század elején a klorofillmolekula először elkülönült, és megértették, hogy a fotoszintézis a kémiai energia tárolásához vezet..

Az úttörő megközelítések, például a gázcserélő sztöchiometria megvalósítása során sikerült azonosítani a keményítőt a fotoszintézis termékének. Ezenkívül a fotoszintézis a biológia egyik első témája, amelyet stabil izotópok alkalmazásával vizsgáltak.

A fotoszintézis egyenlete

Általános egyenlet

Kémiailag a fotoszintézis egy redox reakció, ahol egyes fajok oxidálódnak és elengedik elektronjukat más csökkentett fajokhoz.

A fotoszintézis általános folyamata az alábbi egyenletben foglalható össze: H₂O + fény + CO₂ → CH₂O + O_2. Ahol a CH kifejezés₂VAGY (egy glükózmolekula egytizede) olyan szerves vegyületekre utal, amelyeket cukroknak neveznek, amelyeket a növény később fog használni, például szacharóz vagy keményítő..

Világos és sötét fázis

Ez az egyenlet a fotoszintézis minden egyes szakaszára két specifikus egyenletre bontható: a fényfázis és a sötét fázis.

A fényfázist a következőképpen ábrázoljuk: 2H₂O + fény → O2 + 4H⁺ + 4e^-. Hasonlóképpen a sötét fázis a következő összefüggést foglalja magában: CO₂ + 4H⁺ + 4– → CH₂O + H₂O.

ΔG° a reakciók

Szabad energia (ΔG°) ezekre a reakciókra: +479 kJ-mol^-1, +317 kJ-mol^-1 és +162 kJ-mol^-1, volt. Amint azt a termodinamika sugallja, ezeknek az értékeknek a pozitív jele az energiaigény, és endergonikus folyamatnak nevezik.

Hol szerezte meg a fotoszintetikus szervezet ezt az energiát, hogy a reakciók bekövetkezzenek? A napfénytől.

Meg kell említeni, hogy a fotoszintézissel ellentétben az aerob légzés exergonikus folyamat - ebben az esetben a ΔG ° értékét negatív jel követi. - ahol a felszabaduló energiát a szervezet használja. Ezért az egyenlet: CH₂O + O₂ → CO₂ + H₂O.

Hol fordul elő??

A legtöbb növényben a fő szerv, ahol a folyamat történik, a levélen van. Ezekben a szövetekben kis gömbölyű struktúrákat találunk, amelyeket stomata-nak neveznek, amelyek szabályozzák a gázok be- és kilépését.

A zöld szövetet alkotó sejtek akár 100 kloroplasztot is tartalmazhatnak benne. Ezeket a rekeszeket két külső membrán és egy stroma nevű vizes fázis alkotja, ahol egy harmadik membránrendszer található: a tylakoid.

Folyamat (fázisok)

Világító fázis

A fotoszintézis a föld bolygó leggyakoribb pigmentje által a fény megkötésével kezdődik: klorofill. A fény abszorpciója az elektronok magasabb energiájú gerjesztését eredményezi - így a napenergia potenciális kémiai energiává alakul.

A thylakoid membránban a fotoszintetikus pigmenteket olyan fotocentrákban szervezik, amelyek több száz pigmentmolekulát tartalmaznak, amelyek antennaként hatnak, és amely elnyeli a fényt, és energiát szállít a klorofillmolekulához, amelyet "reakcióközpontnak" neveznek.

A reakcióközpont a citokrómhoz kapcsolt transzmembrán fehérjékből áll. Az elektronokat más elektronmolekulákba továbbítja az elektronátviteli láncban egy membránfehérje sorozatán keresztül. Ez a jelenség az ATP és a NADPH szintézisével párosul.

Az érintett fehérjék

A fehérjéket különböző komplexekben szervezzük. Ezek közül kettő az I és II fotorendszerek, amelyek felelősek a fény elnyeléséért és a reakcióközpontba való átvitelért. A harmadik csoport a citokróm komplex bf.

A proton gradiens által termelt energiát a negyedik komplex ATP szintáz használja, amely a protonok áramlását összekapcsolja az ATP szintézisével. Megjegyezzük, hogy a légzés szempontjából az egyik legjelentősebb különbség az, hogy az energia nem csak ATP, hanem NADPH lesz.

photosystems

Az I rendszer egy klorofillmolekulából áll, amelynek abszorpciós csúcsa 700 nanométer, ezért P-nek hívják₇₀₀. Hasonlóképpen a II. Rendszer abszorpciós csúcsa 680, rövidítve P₆₈₀.

A fotográfia I feladata a NADPH és a II. Rendszer termelése az ATP szintézise. A II. Rendszer által felhasznált energia a vízmolekula szakadásából, a protonok felszabadításából és egy új gradiens létrehozásából származik a tylakoid membránján keresztül..

A törésből származó elektronokat átvisszük egy zsírban oldódó vegyületre: plastoquinone-ra, amely a II. Fotórendszerből az elektronokat a citokróm komplexbe szállítja. bf, további protonok szivattyúzása.

A fotorendszer II-ből az elektronok átadnak a plasztocianinnak és az I fotoszisztémának, amely nagy energiájú elektronokat használ az NADP csökkentésére⁺ a NADPH-hoz. Az elektronok végül elérik a ferrodoxint és generálják a NADPH-t.

Elektronikus ciklikus áramlás

Van egy alternatív út, ahol az ATP szintézise nem jár NADPH szintézissel, általában ahhoz, hogy energiát nyújtson a szükséges metabolikus folyamatoknak. Ezért az ATP vagy a NADPH létrehozásának döntése a cella pillanatnyi igényeitől függ.

Ez a jelenség magában foglalja az ATP fotoszisztémával történő szintézisét. Az elektronokat nem továbbítják a NADP-nek⁺, hanem a citokróm komplexhez bf, elektron gradiens létrehozása.

A plasztocianin visszaadja az elektronokat az I fotoszisztémának, kiegészítve a szállítási ciklust, és a protonokat a citokróm komplexbe pumpálja. bf.

Egyéb pigmentek

A klorofill nem az egyetlen pigment, amelyet a növények rendelkeznek, az úgynevezett "kiegészítő pigmentek", beleértve a karotinoidokat is..

A fényes fázisban a fotoszintézis olyan elemeket állít elő, amelyek potenciálisan károsak a sejtre, mint például a "szingulett oxigén". A karotinoidok felelősek a vegyület képződésének megakadályozásáért vagy a szövetkárosodás megelőzéséért.

Ezek a pigmentek azok, amelyeket ősszel megfigyelünk, amikor a levelek elvesztik a zöld színüket, sárgás vagy narancssárga színűek lesznek, mivel a növények a klorofill lebomlásával nitrogént kapnak.

Sötét fázis

Ennek a kezdeti folyamatnak a célja az, hogy a nap energiáját a NADPH (nikotin-amid-adenin-dinukleotid-foszfát vagy "redukáló erő") és az ATP (adenozin-trifoszfát, vagy a sejt energia pénzneme) előállításához használja. Ezeket az elemeket a sötét fázisban használják.

Az ebben a fázisban részt vevő biokémiai lépések leírása előtt tisztázni kell, hogy bár a neve „sötét fázis”, nem feltétlenül teljes sötétségben fordul elő. Történelmileg a kifejezés megpróbált utalni a fény függetlenségére. Más szavakkal, a fázis fény jelenlétében vagy hiányában fordulhat elő.

Mivel azonban a fázis a fényfázisban fellépő reakcióktól függ - ami megköveteli a fényt - helyes, ha ezt a lépcsősorot szén-reakcióként említjük.

Calvin ciklus

Ebben a fázisban a Calvin ciklus vagy a három szénút, az amerikai kutató Melvin Calvin által 1940-ben leírt biokémiai útja. A ciklus felfedezése 1961-ben megkapta a Nobel-díjat.

Általában a ciklus három alapvető szakasza van leírva: az akceptor CO karboxilezése₂, a 3-foszfoglicerát redukciója és a CO akceptor regenerálása₂.

A ciklus a szén-dioxid beépítésével vagy „rögzítésével” kezdődik. Csökkentse a szénhidrátokat az elektronok hozzáadásával, és csökkenti a NADPH-t.

A ciklus minden egyes körében egy szén-dioxid molekula beépítését igényli, amely reagál a ribulóz-bifoszfáttal, és két, három szénatomot tartalmazó vegyületet képez, amelyek redukálódnak és regenerálódnak egy ribulóz molekulát. A ciklus három fordulata glicerin-foszfát molekulát eredményez.

Ezért egy hatkarboncukor, például glükóz előállításához hat ciklus szükséges.

Fotoszintetikus szervezetek

A mikroorganizmusok fotoszintetikus kapacitása két doménben jelenik meg, amelyek baktériumokból és eukariótákból állnak. Ezen bizonyítékok alapján az archaea területét megértő személyek nem rendelkeznek ezzel a biokémiai úttal.

A fotoszintetikus szervezetek körülbelül 3,2–3,5 milliárd évvel ezelőtt jelentek meg, mint a modern cianobaktériumhoz hasonló strukturált stromatolitok..

Logikusan a fotoszintetikus szervezetet nem lehet felismerni a fosszilis rekordokban. Mindazonáltal következtetéseket lehet levonni a morfológiájuk vagy a geológiai összefüggések figyelembevételével.

A baktériumok vonatkozásában a napfény és a cukrok transzformációjának képessége széles körben elterjedt számos Phyla-ban, bár úgy tűnik, hogy nem látható az evolúció látható mintája..

A legprimitívebb fotoszintetikus sejteket baktériumokban találjuk. Ezek a bakterioklorofill pigmentek, és nem a zöld növények ismert klorofilljei.

A fotoszintetikus baktériumcsoportok közé tartoznak a cianobaktériumok, a protobaktériumok, a zöld kénbaktériumok, a firmicutes, a szálas anoxikus fototrófok és a acidobaktériumok..

Ami a növényeket illeti, mindannyian képesek fotoszintézist végezni. Valójában ez a csoport legkülönbözőbb jellemzője.

A fotoszintézis típusai

Oxigén és anoxigén fotoszintézis

A fotoszintézis különböző módon osztályozható. Az első besorolás figyelembe veszi, hogy a szervezet vizet használ-e a szén-dioxid csökkentésére. Tehát oxigén fotoszintetikus organizmusok vannak, amelyek magukban foglalják a növényeket, algákat és cianobaktériumokat.

Ezzel ellentétben, amikor a test nem használja a vizet, az úgynevezett anoxigén fotoszintetikus szervezetek. Ez a csoport magában foglalja a zöld és lila baktériumokat, például a nemzetségeket Chlorobium és Chromatium, a kén vagy a gáz halmazállapotú hidrogén használata a szén-dioxid csökkentésére.

Ezek a baktériumok oxigén jelenlétében nem képesek fotoszintézisre alkalmazni, anaerob közegre van szükségük. Ezért a fotoszintézis nem vezet oxigén keletkezéséhez - így az "anoxygenic" név..

Az anyagcsere típusai C₄ és CAM

A fotoszintézis a növények élettani adaptációi szerint is osztályozható.

A CO csökkenése fotoszintetikus eukariótákban történik₂ a Calvin-ciklusban a légkörből szénhidrátokba kerül. Ez az eljárás a Rubisco enzimmel (ribulóz-1,5-biszfoszfát-karboxiláz / oxigenáz) kezdődik, és az első stabil képződött vegyület 3-foszfoglicinsav, három szénatom..

A magas sugárzásnak vagy aszálynak nevezett termikus stressz körülményei között a rubisco enzim nem képes különbséget tenni az O₂ és a CO₂. Ez a jelenség jelentősen csökkenti a fotoszintézis hatékonyságát, és fotoreakciónak nevezik.

Ezen okok miatt léteznek olyan speciális fotoszintetikus anyagcserével rendelkező növények, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy elkerüljék az említett kényelmetlenségeket.

Metabolizmus C4

C típusú metabolizmus₄ Célja a szén-dioxid koncentrálása. A rubisco-t megelőzően C-növények₄ végezzen el egy első karboxilezést a PEPC által.

Megjegyezzük, hogy a két karboxiláció között térbeli elválasztás van. A C növények₄ Ezeket megkülönböztetik anatómia "kranz" vagy korona, amelyeket mezofil sejtek alkotnak és fotoszintetikusak, ellentétben a normál fotoszintézisben vagy a C sejtekben.₃.

Ezekben a sejtekben az első karboxilezést a PEPC végzi, így oxalacetátot kapunk, amely maláttá redukálódik. Ez diffundál a pod cellájára, ahol egy dekarboxilációs folyamat keletkezik, amely CO-t generál₂. A szén-dioxidot használják a második karboxilációban, amelyet Rubisco irányít.

Fotoszintézis CAM

A CAM fotoszintézis vagy a crasuláceas sav metabolizmusa olyan növények adaptációja, amelyek szélsőséges szárazságban élnek, és jellemzőek az olyan növényekre, mint az ananász, az orchideák, a szegfű, többek között.

A szén-dioxid CAM növényekben történő asszimilációja az éjszakai órákban történik, mivel a vízveszteség a sztómák megnyitásával kevesebb lesz, mint a nap.

A CO₂ a PEP-vel, a PEPC által katalizált reakcióval almasavat képez. Ezt a terméket vakuolokban tárolják, amelyek reggelente felszabadítják tartalmukat, majd dekarboxilezzük és a CO-t₂ sikerül csatlakozni a Calvin ciklushoz.

A fotoszintézisben szerepet játszó tényezők

A fotoszintézis hatékonyságához kapcsolódó környezeti tényezők közül kiemeljük a CO jelenlétét₂ a fény, a hőmérséklet, a fotoszintetikus termékek felhalmozódása, az oxigén mennyisége és a víz rendelkezésre állása.

A növényi tényezők is alapvető szerepet játszanak, mint például az életkor és a növekedés.

A CO koncentrációja₂ a környezetben alacsony (nem haladja meg a térfogat 0,03% -át), ezért a minimális eltérések jelentős következményekkel járnak a fotoszintézisben. Ezenkívül a növények a jelen lévő szén-dioxid 70 vagy 80% -át képesek.

Ha nincsenek korlátozások a többi említett változótól, úgy találjuk, hogy a fotoszintézis a CO mennyiségétől függ₂ elérhető.

Ugyanígy döntő fontosságú a fényintenzitás. Az alacsony intenzitású környezetekben a légzési folyamat felülmúlja a fotoszintézist. Emiatt a fotoszintézis sokkal aktívabb azokban az órákban, amikor a napsugárzás magas, például a reggeli első órákban..

Egyes növények többet érinthetnek, mint mások. Például a takarmányfű nem nagyon érzékeny a hőmérsékleti tényezőre.

funkciók

A fotoszintézis létfontosságú folyamat a Föld bolygón minden szervezet számára. Ily módon az élet minden formájának támogatása, az oxigénforrás és az összes meglévő trofikus lánc alapja, mivel elősegíti a napenergia kémiai energiává történő átalakítását.

Más szóval, a fotoszintézis a lélegzett oxigént termeli - amint azt fentebb említettük - ez az elem a folyamat mellékterméke - és az étel, amit naponta fogyasztunk. Majdnem minden élő szervezet a fotoszintézisből származó szerves vegyületeket használják energiaforrásként.

Megjegyezzük, hogy az aerob szervezetek képesek a fotoszintézis által termelt szerves vegyületekből csak az oxigén jelenlétében kinyerni az energiát - ami szintén a folyamat terméke..

Valójában a fotoszintézis képes a széndioxid fokozott számát (200 milliárd tonna) szerves vegyületekké alakítani. Az oxigén tekintetében becslések szerint a termelés 140 milliárd tonna.

Ezen túlmenően a fotoszintézis az energia nagy részét (ennek körülbelül 87% -át) biztosítja, amit az emberiség a túlélés érdekében fosszilis fotoszintetikus üzemanyagok formájában használ fel..

evolúció

Első fotoszintetikus életformák

Az evolúció fényében a fotoszintézis nagyon régi folyamatnak tűnik. Van egy nagy mennyiségű bizonyíték, amely ezen út eredetét az első életformák megjelenése közelében helyezi el.

Ami az eukarióták eredetét illeti, túlnyomó bizonyíték van arra, hogy az endoszimbiosis a folyamat valószínűbb magyarázata..

Így a cianobaktériumokhoz hasonló szervezetek kloroplasztikává válhatnak, a nagyobb prokariótákkal való endoszimbiotikus kapcsolatoknak köszönhetően. Ezért a fotoszintézis evolúciós eredete a bakteriális doménben születik, és a vízszintes génátvitel tömeges és ismétlődő eseményeinek köszönhetően elosztható..

Az oxigén szerepe az evolúcióban

Nem kétséges, hogy a fény fotoszintézis útján történő energetikai átalakulása a Föld bolygó jelenlegi környezetét öntötte. Az innovációnak tekintett fotoszintézis gazdagította az oxigén atmoszférát és forradalmasította az életformák energetikáját.

Amikor az O felszabadítása megkezdődött₂ az első fotoszintetikus szervezetek által valószínűleg feloldódik az óceánok vízében, amíg telítődik. Ezen túlmenően az oxigén vasval reagálhat, vasoxid formájában kicsapódva, amely jelenleg értékes ásványi források..

A felesleges oxigén a légkörbe jutott, hogy végül koncentráljon. Ez az O koncentráció masszív növekedése₂ Fontos következményei vannak: a biológiai struktúrák és enzimek károsodása, számos prokarióta csoport elítélése.

Ezzel szemben a többi csoport alkalmazkodott az új oxigénben gazdag környezethez, melyet fotoszintetikus szervezetek, valószínűleg ősi cianobaktériumok alakítottak ki..

referenciák

1. Berg, J. M., Stryer, L. és Tymoczko, J. L. (2007). biokémia. Megfordultam.
2. Blankenship, R. E. (2010). A fotoszintézis korai fejlődése. Növényi élettan, 154(2), 434-438.
3. Campbell, A, N., és Reece, J. B. (2005). biológia. Ed. Panamericana Medical.
4. Cooper, G. M. és Hausman, R. E. (2004). A sejt: Molekuláris megközelítés. Medicinska naklada.
5. Curtis, H., és Schnek, A. (2006). Meghívás a biológiába. Ed. Panamericana Medical.
6. Curtis, H., és Schnek, A. (2008). Curtis. biológia. Ed. Panamericana Medical.
7. Eaton-Rye, J. J., Tripathy, B. C. és Sharkey, T. D. (szerk.). (2011). Fotoszintézis: plasztid biológia, energia konverzió és szén-asszimiláció (34. kötet). Springer Science & Business Media.
8. Hohmann-Marriott, M. F., & Blankenship, R. E. (2011). A fotoszintézis fejlődése. A növényi biológia éves felülvizsgálata, 62, 515-548.
9. Koolman, J. és Röhm, K. H. (2005). Biokémia: szöveg és atlas. Ed. Panamericana Medical.
10. Palade, G. E. és Rosen, W. G. (1986). Cellbiológia: alapkutatás és alkalmazások. Nemzeti Akadémiák.
11. Posada, J. O. S. (2005). Alapok a legelők és takarmánynövények létrehozásához. Antioquia Egyetem.
12. Taiz, L. és Zeiger, E. (2007). Növényi élettan. Universitat Jaume I.