Sisu
- Fotosünteesi komponendid
- Fotosünteesi kokkuvõte
- Kuidas lehed toetavad fotosünteesi
- Kloroplastid: fotosünteesi tehased
- Mis on tülakoidid?
- Valgusreaktsioonid: Valgus jõuab Thylakoidi membraani
- Valguse reaktsioonid: elektronide transport
- Valgusreaktsioonid: fotofosforüülimine
- Pime reaktsioon: süsiniku fikseerimine
Taimed on kahtlemata inimkonna lemmikloomad väljaspool loomariiki. Peale taimede võime toita maailma inimesi - ilma puuviljade, köögiviljade, pähklite ja teradeta - on ebatõenäoline, et te või see artikkel eksisteeriks - austatakse taimi nende ilu ja oma rolli eest igasugustel inimlikel tseremooniatel. On tähelepanuväärne, et nad saavad sellega hakkama ilma liikumis- või söömisvõimaluseta.
Taimed kasutavad tegelikult sama põhimolekuli, mida kõik eluvormid kasvamiseks, ellujäämiseks ja taastootmiseks teevad: väikest, kuue süsiniku ringikujulist süsivesikut. glükoos. Kuid selle suhkru allikate söömise asemel valmistavad nad selle hoopis. Kuidas see on võimalik, ja arvestades, et see on nii, miks ei tee inimesed ja muud loomad lihtsalt sama asja ja päästavad end jahipidamise, toidu kogumise, ladustamise ja tarbimise vaevast?
Vastus on fotosüntees, keemiliste reaktsioonide seeria, milles taimerakud kasutavad glükoosiks päikesevalguse energiat. Seejärel kasutavad taimed osa glükoosist oma vajadusteks, ülejäänud jääb teistele organismidele kättesaadavaks.
Fotosünteesi komponendid
Nutikad õpilased võivad kiiresti küsida: "Mis on taimede toodetava suhkru molekuli süsiniku allikas taimedes fotosünteesi ajal?" Teil pole vaja teaduse kraadi, et eeldada, et "päikeseenergia" koosneb valgust ja see valgus ei sisalda ühtegi elementi, mis moodustaksid elusas süsteemides kõige sagedamini leiduvaid molekule. (Valgus koosneb footonid, mis on massita osakesed, mida elementide perioodilisel tabelil ei leidu.)
Lihtsaim viis fotosünteesi erinevate osade tutvustamiseks on keemiline valem, mis võtab kokku kogu protsessi.
6 H2O + 6 CO2 → C6H12O6+ 6 O2
Seega on fotosünteesi tooraineks vesi (H2O) ja süsinikdioksiid (CO2), mida on nii maapinnal kui ka atmosfääris ohtralt, samal ajal kui tooted on glükoos (C6H12O6) ja hapniku gaas (O2).
Fotosünteesi kokkuvõte
Fotosünteesi protsessi skemaatiline kokkuvõte, mille komponente kirjeldatakse üksikasjalikult järgnevates osades, on järgmine. (Praegu ärge muretsege lühendite pärast, millega te ehk tuttavad pole.)
Neid nelja esimest etappi tuntakse valguse või valgust sõltuvate reaktsioonidena, kuna need sõltuvad töötamiseks absoluutselt päikesevalgusest. Vastupidiselt Calvini tsüklile nimetatakse seda tume reaktsioon, tuntud ka kui valgust sõltumatud reaktsioonid. Ehkki nimest järeldub, et tume reaktsioon võib toimida ka ilma valgusallikata, tugineb see toimimiseks produktidele, mis on loodud valgust sõltuvates reaktsioonides.
Kuidas lehed toetavad fotosünteesi
Kui olete kunagi vaadanud inimese naha ristlõike diagrammi (see tähendab, kuidas see küljelt välja näeks, kui saaksite seda vaadata kogu ulatuses pinnalt, ükskõik millisesse koesse, mida nahk allpool näeb), siis võis täheldada, et nahal on erinevad kihid. Need kihid sisaldavad erinevas kontsentratsioonis erinevaid komponente, näiteks higinäärmeid ja juuksefolliikulisid.
Lehe anatoomia on paigutatud sarnaselt, välja arvatud see, et lehed on suunatud välismaailma poole kaks küljed. Liikudes lehe ülaosast (mida peetakse sagedamini valgusega silmitsi) alumisest küljest, hõlmavad kihid küünenaha, vahajas, õhuke kaitsekate; ülemine epidermis; mesofüll; alumine epidermis; ja teine küünenaha kiht.
Mesofüll ise sisaldab ülaosa palisade kiht, lahtritega, mis on paigutatud kenadesse veergudesse, ja alumine käsnjas kiht, milles on vähem rakke ja suurem vahe nende vahel. Fotosüntees toimub mesofüllis, mis on mõttekas, kuna see on mis tahes aine lehe kõige pindmine kiht ja on kõige lähemal lehe pinnale löövale valgusele.
Kloroplastid: fotosünteesi tehased
Organisme, mis peavad toituma oma keskkonna orgaanilistest molekulidest (st ainetest, mida inimesed nimetavad toiduks), nimetatakse heterotroofid. Taimed seevastu on autotroofid selles osas, et nad ehitavad need molekulid oma rakkudesse ja kasutavad siis seda, mida nad vajavad, enne kui ülejäänud seotud süsinik naaseb ökosüsteemi, kui taim sureb või on söödud.
Fotosüntees toimub taimerakkudes (nn pisikestes elundites), mida nimetatakse kloroplastid. Organellid, mis esinevad ainult eukarüootsetes rakkudes, on ümbritsetud kahekordse plasmamembraaniga, mis on struktuurilt sarnane raku kui terviku ümbritsevaga (tavaliselt nimetatakse seda lihtsalt rakumembraaniks).
Fotosünteesi funktsionaalsed üksused on tülakoidid. Need struktuurid esinevad nii fotosünteetilistes prokarüootides, näiteks sinivetikates (sinivetikad) kui ka taimedes. Kuid kuna ainult eukarüootidel on membraaniga seotud organellid, istuvad prokarüootides olevad tülakoidid raku tsütoplasmas vabalt, täpselt nagu nende organismide DNA, kuna tuum puudub prokarüootides.
Mis on tülakoidid?
Taimedes on tülakoidne membraan tegelikult kloroplasti enda membraaniga pidev. Tülakoidid on seetõttu organellides nagu organellid. Need on paigutatud ümaratesse virnadesse, nagu kapis olevad õhtusöögi taldrikud - õõnsad õhtusöögi plaadid, see tähendab. Neid virna nimetatakse grana, ja tülakoidide interjöörid on ühendatud toruga väikeses võrgus. Tülakoidide ja sisemise kloroplasti membraani vahelist ruumi nimetatakse strooma.
Tüülakoidid sisaldavad pigmenti nimega klorofüll, mis vastutab rohelise värvi eest, mida enamik taimi mingil kujul eksponeerib. Tähtsam kui inimsilmale läikiva välimuse pakkumine, klorofüll on see, mis "hõivab" kloroplasti päikesevalgust (või selles osas kunstlikku valgust) ja seega ainet, mis võimaldab fotosünteesi toimumist.
Tegelikult on fotosünteesil mitu erinevat pigmenti, millest primaarne on klorofüll A. Lisaks klorofülli variantidele reageerivad valgusele ka paljud muud tülakoidides sisalduvad pigmendid, sealhulgas punane, pruun ja sinine tüüp. Need võivad suunata sissetuleva valguse klorofülli A-le või aidata neil hoida rakke valguse poolt kahjustatuna, toimides omamoodi peibutistena.
Valgusreaktsioonid: Valgus jõuab Thylakoidi membraani
Kui teisest allikast pärit päikesevalgus või valgusenergia jõuab tülakoidi membraani, kui see on läbinud lehe küünenaha, taime rakumüüri, rakumembraani kihid, kloroplasti membraani kaks kihti ja lõpuks strooma, kohtub see paari tihedalt seotud mitme valgu kompleksid, mida nimetatakse fotosüsteemid.
Kompleks nimega Photosystem I erineb seltsimehest Photosystem II selle poolest, et reageerib erinevale valguse lainepikkusele erinevalt; lisaks sisaldavad need kaks fotosüsteemi klorofülli A pisut erinevaid versioone. Photosystem I sisaldab vormi nimega P700, samas kui Photosystem II kasutab vormi nimega P680. Need kompleksid sisaldavad kergkogumiskompleksi ja reaktsioonikeskust. Kui valgus jõuab nendeni, eraldab see klorofülli molekulidest elektrone ja need liiguvad valguse reaktsioonide järgmisse etappi.
Tuletame meelde, et fotosünteesi netovõrrand sisaldab nii CO-d2 ja H2O sisenditena. Need molekulid pääsevad oma väiksuse tõttu vabalt taimerakkudesse ja on saadaval reagentidena.
Valguse reaktsioonid: elektronide transport
Kui elektronid saabuva valguse tõttu klorofülli molekulidest vabaks saavad, tuleb need kuidagi asendada. Seda tehakse peamiselt H poolitamise teel2O hapnikgaasiks (O2) ja vabad elektronid. O2 selles keskkonnas on jäätmesaadus (enamikul inimestel on võib-olla keeruline kujutada vastloodud hapnikku jäätmeproduktina, kuid sellised on biokeemia hägused), samal ajal kui mõned elektronid satuvad klorofülli vesiniku kujul ( H).
Elektronid liiguvad tülakoidi membraani sulandunud molekulide ahelast lõpliku elektronaktseptori poole, nikotiinamiidadeniini dinukleotiidfosfaadina (NADP) tuntud molekuli poole+ ). Mõista, et "alla" ei tähenda vertikaalselt allapoole, vaid järk-järgult madalama energia mõttes allapoole. Kui elektronid jõuavad NADP-ni+, ühendavad need molekulid elektronkandja NADPH redutseeritud vormi. See molekul on vajalik järgnevaks tumedaks reaktsiooniks.
Valgusreaktsioonid: fotofosforüülimine
Samal ajal, kui NADPH genereeritakse eelnevalt kirjeldatud süsteemis, nimetatakse protsessiks fotofosforüülimine kasutab energiat, mis vabaneb teistest elektronidest, mis "liuglevad" tülakoidi membraanis. Prooton-liikumapanev jõud ühendab anorgaanilised fosfaatmolekulidvõi Pi, adenosiindifosfaadiks (ADP), moodustades adenosiintrifosfaadi (ATP).
See protsess on analoogne rakuhingamise protsessiga, mida nimetatakse oksüdatiivseks fosforüülimiseks. Samal ajal tekivad tülakoidides ATP-d selleks, et tekitada pimedas reaktsioonis glükoosi, mujal taimerakkudes olevad mitokondrid kasutavad selle glükoosi lagunemise saadusi, et muuta ATP taimede rakulises hingamises lõplikuks metaboolseks vajadustele.
Pime reaktsioon: süsiniku fikseerimine
Kui CO2 siseneb taimerakkudesse, läbib see rea reaktsioone, lisades esmalt viie süsiniku molekuli, et luua kuue süsiniku vaheühend, mis lõheneb kiiresti kaheks kolme süsiniku molekuliks. Miks pole see kuue süsiniku molekul lihtsalt tehtud otse glükoosiks, ka kuue süsiniku molekuliks? Kuigi mõned neist kolme süsiniku molekulidest väljuvad protsessist ja neid kasutatakse tegelikult glükoosi sünteesimiseks, on tsükli jätkamiseks vaja teisi kolme süsiniku molekule, kuna need on ühendatud sissetuleva CO-ga2 ülalnimetatud viie süsiniku ühendi valmistamiseks.
Tõsiasi, et valgusenergiat kasutatakse fotosünteesis, et juhtida valgust sõltumatuid protsesse, on mõistlik, arvestades seda, et päike tõuseb ja loojub, mis paneb taimed päeva jooksul seisma selles, et nad peavad molekule "koguma", et nad saaksid teha nende toitu, kui päike on horisondi all.
Nomenklatuuri jaoks viitavad Calvini tsükkel, tume reaktsioon ja süsiniku fikseerimine ühele ja samale asjale, milleks on glükoos. On oluline mõista, et ilma püsiva valguseta ei saaks fotosünteesi toimuda. Taimed saavad õitseda keskkonnas, kus valgus on alati olemas, nagu ruumis, kus tuled pole kunagi hämardatud. Kuid vastupidine pole tõsi: ilma valguseta pole fotosüntees võimatu.